Valószínűleg kevés olyan olvasó van – ha van egyáltalán -, akinek nem cseng ismerősen Barbara McClintock neve. Bár minden Nobel-díjas széles körű elismerést kap, az ő esetében ezt tetézte az a nehéz küzdelem, amelyet munkája elfogadásáért folytatott. A kukoricán mint modellrendszeren dolgozó citogenetikus arra a következtetésre jutott, hogy nem minden gén statikusan rögzített, a genom meghatározott pontjain elhelyezkedő lokusz. Azt mondani, hogy következtetése, miszerint léteznek “ugró gének”, azaz olyan DNS-elemek, amelyek képesek egyik kromoszóma-helyről a másikra mozogni, általános hitetlenséget váltott ki, udvariasan alulértékelt kifejezés. Az idő és az adatok súlya őt igazolta, és az 1983-ban, 81 éves korában kapott élettani vagy orvosi Nobel-díj legalább annyira kitartását bizonyítja, mint a jó tudományt.
Az általa felfedezett DNS-elemeket helyesen transzpozíciós elemeknek vagy transzpozonoknak nevezik. Szerkezetileg számos, a vírusok bizonyos típusaihoz (retrovírusok) hasonló tulajdonsággal rendelkeznek, és bizonyos értelemben a vírushoz hasonlónak tekinthetők, mivel a gazdasejt gépezetének felhasználásával félautonóm módon képesek szaporodni. A valódi vírusokkal ellentétben azonban a transzpozonok nem hagyják el a sejtet, és az utódok egyszerűen egy új genomiális helyre költöznek, ahol letelepednek. Valójában ők a legegyszerűbb példája az úgynevezett “önző génnek”, amely szerint a genetikai elemek csupán arra törekszenek, hogy önmagukat szaporítsák. Míg a legtöbb gén ezt más génekkel való együttműködő társulás révén “választotta”, hogy életképes, replikálódó szervezeteket hozzon létre, a transzpozonok ezt pusztán a saját nevében teszik, és inkább a gazdasejt parazitájaként, mint egy nagyobb egész produktív alkotóelemeként. A mai érdeklődésünk irántuk egyrészt abból a tényből fakad, hogy nem csak a kukoricában léteznek, hanem valójában a legtöbb organizmusban, így az emberben is megtalálhatóak, másrészt pedig ebből a gazember, minden gén önmagáért való intracelluláris életmódjából.
LINES és SINES
Az emberekben nem csak egyféle transzpozon van – valójában többféle típus létezik, amelyeket fizikai méretük alapján lazán csoportosítanak a Hosszú Interspersed Elements (LINES) és a Rövid Interspersed Elements (SINES) típusokba. Ahogy az várható volt, minél nagyobbak fizikailag, annál több genetikai információt tudnak kódolni. A LINE-1 néven ismert, ~6000 bázispár méretű elem két nyitott olvasókeretet (mRNS-é átírható, majd fehérjévé fordítható régiók) kódol. Az egyik fehérje RNS-kötő aktivitással, de tisztázatlan biológiai funkcióval rendelkezik, a másik endonukleáz (DNS-vágás) és reverz transzkripció (DNS-szekvenciák előállítása RNS-sablonok alapján). Lényegében egy LINE-1 elem átírása után (amelyet részben az 5′ végén lévő transzkripciós faktor kötőhelyek irányítanak), az expresszált második fehérje endonukleáz funkciója révén vágásokat végez a gazdaszervezet DNS-ében. Ezután a LINE-1 teljes transzkriptum DNS-másolatát készíti el a reverz transzkriptáz funkciója révén. Ez a DNS-kópia beilleszkedik a vágott gazdagenomba, és a gazdasejt DNS-javító gépezete ezt a helyére illeszti. A gazdakromoszóma most már rendelkezik a LINE-1 új másolatával, és minden következő sejtreplikációs ciklusban ez a “normális, veleszületett” nukleáris DNS részeként replikálódik. Ezt autonóm retrotranszpozíciónak tekintjük, mivel a LINE-1 saját kulcsfontosságú enzimfunkciókat biztosít a folyamathoz. Bár maga a folyamat ritkán fordul elő, könnyen belátható, hogy hosszú biológiai időtávlatokban ez a LINE-1 elem többszörös replikációs példányainak felhalmozódásához vezethet. Úgy gondolják, hogy a LINE-1 az egyetlen teljesen autonóm transzponálható elem az emberi genomban, és hatékony biológiai stratégiának bizonyult, hiszen az emberi genom közel 17 százalékát ez a szekvencia teszi ki (sejtenként nagyjából 170 000 példány)!
A mai napon azonban a SINE-re, és különösen az Alu elemként ismert egy (valójában egyetlen családra) koncentrálunk. Az általuk jellemzően tartalmazott restrikciós endonukleáz-helyről (Alu I) kapták a nevüket, és sokkal rövidebbek, mint a LINE-1, mindössze kb. 280 bázispár hosszúak. Ez azt jelenti, hogy néhány transzkripciós indítójelen túl nem sok saját kódolási kapacitással rendelkeznek, és így nem önállóak. Valójában az Alu elemeknek a replikációjukhoz mind sejtes faktorokra, mind a LINE-1 második fehérjetermékére szükségük van, bizonyos értelemben paraziták mind a gazdasejthez, mind a LINE-1 elemekhez. Ez a parazita-parazita megközelítés nyilvánvalóan még hatékonyabb önző génstratégia, mivel az Alu-elemek az emberi genom mintegy 11 százalékát teszik ki (sejtenként mintegy 2 millió példányt).
Biológiai hatások
Nem meglepő, hogy van néhány nagyon is valós hatása annak, hogy ennyi genetikai ingyenélő van a genomunkban – ráadásul instabilak. Különösen az általuk hordozott transzkripciós és egyéb genetikai jelek révén egy Alu elem befolyásolhatja a proximális gazdagén expressziójának számos aspektusát, beleértve a bazális génexpressziós szinteket, az intronok splicingjét és poliadenilációját, valamint az RNS-szerkesztést. A sejt egészére gyakorolt evolúciós nyomás általában a gazdagenom adaptációjához vezet, hogy alkalmazkodjon ezekhez, kompenzálja, vagy bizonyos esetekben talán még előnyt is kovácsoljon egy adott Alu elem hatásából a kontextusban. Az ilyen gazdaszervezeti alkalmazkodás azonban időbe telik, és klinikai patológiák léphetnek fel, amikor új Alu-transzpozíciós esemény következik be, amely hirtelen genetikai változáshoz vezet egy lényegében véletlenszerű lókuszban – egy új Alu-kópia beillesztéséhez.
Ezzel kapcsolatban tudni kell, hogy mivel ez egy transzkripció (RNS) által kezdeményezett replikációs folyamat, a replikáció hibalehetséges. Ellentétben a DNS-polimerázokkal, amelyek közül sokan tartalmaznak egy úgynevezett korrektúraolvasó funkciót, amelynek során minden egyes nukleotidot, amelyet a születő sablonmásolathoz adnak hozzá, egy második vizsgálatnak vetnek alá, hogy megerősítsék a valódi komplementer egyezést, szemben az átmeneti tautomerikus eltolódáson alapuló egyezéssel, az RNS-polimerázok biológiailag a sebességre és a folyamatosságra vannak optimalizálva. Amint egy nukleotidot hozzáadunk a növekvő transzkripthez, a polimeráz a következő bázishoz siet előre. Mivel a DNS-t és az RNS-t alkotó összes bázis egy része létezhet és létezik tautomer formában, ahol a hidrogének és kettős kötések rövid átrendeződései vannak a tankönyvekben látott formákhoz képest, az RNS-átiratok általában alacsony, de jelentős hibás másolási arányt mutatnak a DNS-sablonjukról.
Érezem, hogy néhány olvasó hirtelen pánikba esik, miért, ha ez így van, miért nem vagyunk mindannyian egy rakás szarban a szabályos mRNS-átiratok hibái miatt? Azért, mert aktív génekből többszörös másolatokat készítünk az átiratokról, és ezek átlagosan rendben vannak. Akár rendben vannak, akár nem, rövid életük van, mielőtt lebomlanak és szükség szerint új transzkriptumokkal cserélődnek. Az mRNS-ek ritka, szórványos hibái ezért valószínűleg nem bírnak jelentőséggel.
Ha azonban most fogjuk ezt a nem teljesen tökéletes RNS-másolatot egy DNS-ről, majd visszaírjuk DNS-re a hosszú távú szaporodás érdekében, akkor most már hosszú távon rögzítettük ezt a genetikai változást. Ennek az a következménye, hogy a génjeinkben lévő Alu elemeknek csak egy kis hányada képes arra, hogy replikálódjon és új másolatokat illesszen be magából. Összességében a becslések szerint csak körülbelül egy új Alu-beillesztés létezik. Ez nagyon jó dolog, mert ezek az inszerciós események potenciálisan problematikusak.
El ne felejtsük el, hogy az emberi genomnak körülbelül egy százaléka vagy valamivel több, gazdafehérjéket kódol (nagyjából 21 000 gén). Ha elkezdünk vágásokat végezni és akarva-akaratlanul rokontalan DNS-t tömködni a genomba, akkor logikus, hogy ezek körülbelül egy százaléka a génekben lesz, és az eredmény a gén inaktiválódása lesz. Mivel az Alu elem transzkripciós jeleket és potenciálisan más szabályozó elemeket hordoz, az is könnyen előfordulhat, hogy nem kívánt befolyást gyakorol azoknak a géneknek a kifejeződésére, amelyekhez csupán közel van. Az eredmény mindkét esetben egy gén vagy gének diszregulációja, ami szinte biztosan káros következményekkel jár.
Még egy megjegyzés: pontosan ezt a folyamatot használják néhány modellorganizmusban egy fenotípusos tulajdonsággal kapcsolatos gének azonosítására. Leegyszerűsítve, a szervezetben endogén transzpozonokat aktiválásra lehet ösztönözni, és az érdeklődésre számot tartó fenotípus változását mutató utódszervezeteket megvizsgálják új transzpozon-beillesztési helyek után, feltételezve, hogy azok a fenotípushoz kapcsolódó génekben vagy azok közelében lehetnek. Ezt nevezik transzpozon címkézésnek.
Az inszerciós inaktivációt okozó új retrotranszpozíciós események mellett az Alu elemek nagy összlétszáma önmagában is más genetikai problémákhoz vezethet. Konkrétan, ezek a helyi szekvencia-hasonlósági szigetek pontok lehetnek egyenlőtlen homológ rekombinációs eseményekhez, ahol az egyes Alu-elemek körüli kromoszómális kontextus nem azonos. Ezek mind extrakromoszómálisan (nem-homológ kromoszómaszegmensek cseréjéhez vezetve), mind intrakromoszómálisan (ahol általában régiók deléciójához vagy duplikációjához vezetnek, attól függően, hogy a két Alu elem azonos vagy fordított polaritású orientációban van-e) előfordulhatnak.
Reális életbeli példák
Azt az elméletet tehát, hogy az emberben valóban léteznek mobil genetikai elemek, ezek néha aktiválódnak és új másolatokat illesztenek be magukból, és ez rossz következményekkel járhat a sejtre nézve – mi a helyzet a valós életbeli példákkal? Jelennek meg emberek klinikai körülmények között olyan problémákkal, amelyek az új Alu-behelyezéseknek tulajdoníthatók? Abszolút; még 1999-ben1 úgy becsülték, hogy az új Alu-behelyezések körülbelül minden 200 élveszületésből egynél kimutathatók, és az ismert genetikai rendellenességek 0,1 százalékáért felelősek. Az irodalomból származó konkrét beszámolók között szerepel a hemofília;2-4 Apert-szindróma;5 az 1-es típusú neurofibromatózis;6 és az optikai atrófia spontán előfordulása.7 A hosszabb listát kereső olvasók figyelmébe ajánljuk a 2012-es áttekintést és annak hivatkozásait, amelyek az alábbi nyolcadik hivatkozásként szerepelnek.
Az Alu-befolyásolt rekombinációs eseményekkel kapcsolatos klinikai megjelenéseket valószínűleg nehezebb bizonyossággal azonosítani, mint az inszerciós eseményekből eredőeket, de jelentettek már eseteket (egy példát lásd a kilences hivatkozásban), és valószínűleg gyakoribbak, mint tudjuk.
A kezelés szempontjából minden Alu-indukált mutáció – beillesztéses vagy rekombinációs – egyedi, és a kezelésnek (ha van ilyen) valószínűleg a befolyásolt útvonal(ak)ba történő közvetlen biokémiai beavatkozásra kell vonatkoznia, ahol lehetséges, vagy esetleg géntechnológiai eszközökre, ahogyan azt más veleszületett genetikai rendellenességeknél elképzelik. Ezért ezek a klinikus számára inkább kíváncsiság maradnak, mintsem közös kezeléssel vagy megelőzéssel rendelkező állapottípus – de valószínűleg nem elhanyagolható gyakorisággal fordulnak elő az újszerű genetikai megjelenés gyökerénél.
- Alu ismétlődések és az emberi betegségek. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- An Alu insert as the cause of a severe form of hemophilia A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Haemophilia B egy humánspecifikus Alu alcsaládtag de novo inszerciója miatt a IX faktor gén kódoló régiójában. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- A fiatal Alu Yb9 elem intronikus inszerciója által okozott exon skipping súlyos A hemofíliához vezet. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- De novo Alu-elem inszerciók az FGFR2-ben azonosítják az Apert-szindróma külön patológiai alapját. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- Egy de novo Alu inszerció eredményezi az 1-es típusú neurofibromatózist. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Alu-elem inszerció egy OPA1 intron szekvenciában, amely autoszomális domináns optikai atrófiával társul. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Alu mobil elemek: Junk DNS-től a genomikus drágakövekig. Dridi S. Scientifica 2012. Cikk ID 545328, 11 oldal.
- Mutáció az LDL-receptorban: Alu-Alu rekombináció törli a transzmembrán és citoplazmatikus doméneket kódoló exonokat. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.