Soós istván – Szabad jános Kromoszómáink stabilitása Bármelyikünk élete egy női- és egy hímivarsejt egyesülésével kezdődött. Az első sejt, a zigóta, egy anyai, és egy apai eredetű kromoszómagarnitúrát tartalmaz, 23–23 kromoszómával. Minden kromoszómában egyetlen DNS kettős spirál rejlik, amelyeket nagyon sok, és sokféle fehérjemolekula bugyolál be. A DNS-molekulák részei azok a gének (kb. harmincezer anyai, és ugyanannyi apai eredetű), amelyek meghatározzák öröklődő tulajdonságainkat. Az első sejtből úgy lesz kettő, hogy a DNS-molekulák megkettőződnek, majd miközben a képződő leánykromatidák pakolódnak és tömörödnek, kialakulnak a jól ismert ún. metafázisú kromoszómák, két-két leánykromatidával (1. ábra). A mitózis folyamán a leánykromatidák egyike az egyik, a másik a másik leánysejtbe kerül (2A. ábra). Bár a folyamat egyszerűnek tűnhet, a „mutatványt” nem könnyű úgy megvalósítani, hogy a képződő két leánysejt mindegyikének olyan legyen a kromoszómakészlete, mint az anyasejté volt.
1. ábra. Egy ún. metafázisú
kromoszóma sematikus ábrázolása. A leánykromatidák a centromerjeiknél összetapadnak.
A centromereken épülnek ki a kinetochorok, hozzájuk mikrotubulusok kapcsolódnak,
kinetochoronként 20–40. Forrás: https://www.utexas.edu/courses/
2. ábra. A mitózis sematikus ábrázolása. A) Rendes körülmények között egy mitózis eredményeként két, az anyasejttel azonos genetikai állományú leánysejt képződik. Az egymást követő mitózisok eredményeként egyre több ép sejt alkotja a szervkezdeményt. B) Mitotikus nondiszjunkció nyomán olyan sejt képződik, amelyben valamely kromoszómából megszokott kettő helyett három van, valamint egy olyan is, amelyben csupán egy. C) A mitózis során olykor-olykor elvész a kromoszómák némelyike. Bár a szokatlan számú kromoszómát hordozó sejtek többnyire életképtelenek, olykor életben maradnak, osztódnak, és egyre többen lehetnek. A szokatlan számú kromoszómát hordozó sejtek gyakorta daganatok kiindulási forrásai Sejtjeink megsínylik, ha akár csak egyetlen kromoszómát is „nyernek”, és azt is, ha veszítenek. Vajon milyen mechanizmusok biztosítják a kromoszómák stabilitását az egymást követő sejtosztódások folyamán? Mi történik, ha sérül a „biztosító” mechanizmusok valamelyike, és olyan leánysejtek képződnek, amelyekbe a „rendesnél” több, vagy kevesebb kromoszóma kerül? Mik a meghibásodás következményei? Miként romolhatnak el a „biztosító berendezések”? Mit tehetünk, hogy megelőzzük a bajt? Áttekintésünk a kromoszómastabilitás témakörével ismerteti meg az érdeklődőket. Testünket mintegy 1014 sejt alkotja. Mindegyik abból az elsőből, a zigótából származik – elmondhatatlanul sok sejtosztódás, mitózis eredményeként –, amely egy petesejt, valamint egy spermium egyesülése nyomán képződött. Tudta ön, hogy a mitózis fontosságát szépen mutatja az a tény is, hogy minden percben milliónyi sejtünk osztódik? A mitózis lényegében olyan folyamat, amely során az anyasejt 46 kromoszómájának két-két összetapadt leánykromatidáját kell előbb elválasztani, majd igazságosan szétosztani a képződő leánysejtek között (2A. ábra). Sejtjeink akkor épek, és láthatják el normálisan funkcióikat, ha bennük – mint annak idején a zigótában – egy anyai, valamint egy apai génkészlet funkcionál. Azok a sejtjeink többnyire elpusztulnak, amelyekben a megszokottnál akár csak eggyel több, vagy eggyel kevesebb kromoszóma van. Mégis, a kromoszómát „nyerő”, vagy a kromoszómát vesztő sejtek olykor életben maradnak. Különösen akkor, ha a „nyert”, vagy az elvesztett kromoszóma rövid, és viszonylag kevés gént tartalmaz. Elfogadott álláspont, hogy sem a kromoszómanyerésnek, sem a -vesztésnek sincs jó vége. Sejtjeink a kromoszóma „nyerését” jobban elviselik, mint a vesztést, és azt is, hogy minél rövidebb a „nyert”, vagy a vesztett kromoszóma, annál nagyobb az esély arra, hogy a sejt életben marad. A magorsó elkészültét
ellenőrző mechanizmus
3. ábra. A kinetochorok
és a kinetochormikrotubulusok
4. ábra. A mitózis folyamán
az ún. metafázisú kromoszómák, miközben
Nos, sejtjeinkben funkcionál egy, a magorsó elkészültét ellenőrző mechanizmus (angolul: spindle assembly checkpoint), amely addig nem engedi tovább a mitózis eseményeit, ameddig a sejt nem készült fel a folytatásra. Vagyis: (i) minden kinetochorhoz kapcsolódnak mikrotubulusok, (ii) valamely kinetochor összes mikrotubulusa ugyanahhoz a centroszómához fut, és (iii) a leánykromatidák kinetochorjainak egyike az egyik, másika a másik centroszómához kapcsolódik. E feltételek teljesülése alapvetően fontos ahhoz, hogy a leánysejtek kromoszómakészlete az anyasejtével azonos legyen (5. ábra).
5. ábra. A leánykromatidák
szétválásának mechanizmusa. A metafázist megelőzően a kinetochorokhoz olyan
fehérjeféleségek kapcsolódnak, mint a Mad2 és BubR1. Ezek a fehérjék minden
olyan kinetochorban aktívak, amelyek nem, vagy csak tökéletlenül kapcsolódnak
mikrotubulusokkal. Az aktív Mad2- és BubR1-fehérjék gátolják az APC/CCdc20
(angolul: anaphase-promoting complex/cyclosome) komplex aktiválódását.
A Mad2- és BubR1-fehérjék addig aktívak, és a mitózis eseményei nem léphetnek
tovább, amíg nem áll mindegyik kromoszóma mindkét kinetochorja készen,
kapcsolódik egyikük minden mikrotubulusával az egyik, másikuk a másik centroszómához
(4. ábra). Amennyiben a magorsó kialakulását ellenőrző mechanizmus mindent
rendben talál, megszűnik a Mad2/BubR1-gátlás, aktiválódik az APC/CCdc20
komplex, és lebontja a szekurin, valamint a Ciklin B-molekulákat. A szekurin
a szeparáz gátlója. Miután a szekurin lebomlik, aktiválódnak a szeparáz
enzim molekulák, elbontják a kohezin komplexeket. A kohezin komplexek tartották
együtt a leánykromatidákat. A kohezin komplexek lebomlása után szabaddá
válnak a leánykromatidák, és mint önálló kromoszómák kezdhetnek szállítódni
a magorsó pólusai felé. Forrás: https://molbiol4masters.masters.grkraj.org/html/
Mitotikus katasztrófa
Túlélő aneuploid sejtek
6 ábra. Életvonalak egy
Downmozaik
Az említett mozaikosságra két példát említünk. (1) Az ún. Down-mozaikos embertársaink testét kétféle sejt alkotja. Sejtjeik zömében két, kisebbik hányadában három 21. kromoszóma van (6. ábra). Ez az állapot kedvez az Alzheimer-kór, valamiknt az akut leukémia kialakulásának. (2) Azok a sejtek, amelyekben a megszokott kettő helyet csupán egy van a 22. kromoszómából, gyakorta meningeomák kiindulási helyei (7. ábra).
7. ábra. A csak egyetlen
22. kromoszómát
Ma már sok olyan daganatféleséget ismerünk, amelyek sejtjeiben sem a magorsó elkészültét ellenőrző, sem a mitotikus katasztrófa mechanizmusa nem működik. Érthető, hogy az ilyen sejtek utódsejtjeiben a legkülönfélébb kromoszóma-garnitúrájúak fordulnak elő. A kapcsolat az aneuploidia és rákos állapot között annyira megalapozott, hogy az aneuploid sejtek létét a rákos állapot jelének fogadják el. Miként okoz bajt az extra
kromoszóma, vagy a kromoszóma hiánya?
Hibák a mitózis során
Léteznek olyan környezeti tényezők is, amelyek úgy eredményezik az aneuploid állapot létrejöttét, hogy akadályozzák az említett két mechanizmus valamelyikének normális funkcióját. Például a vinkrisztin és a vinblasztin (a rózsameténg, Cataranthus roseus) alkaloidái úgy okoznak mitotikus katasztrófát, hogy a tubulinokhoz kötődve tönkreteszik a mikrotubulusokat és a magorsót (3. ábra). Ezért is használják a vinkrisztint és a vinblasztint a féktelenül osztódó daganatos sejtek elpusztítására. Igen ám, csakhogy a kinetochor mikrotubulusokra gyakorolt hatásuk révén zavarják a magorsó elkészültét ellenőrző mechanizmust is az ép sejtekben, ami pedig nem kívánatos „mellékhatás”. Hasznos lenne tehát olyan megoldásokat kidolgozni, amelyekkel meg lehet vizsgálni: miként befolyásolják a különféle kémiai, fizikai és biológia hatások a kromoszómák stabilitását, azaz indukálják kromoszómák nyerését és/vagy vesztését. A feladatot indokolja, hogy bizonyított a kapcsolat a szerves oldószerek használata, a rendellenes lefolyású mitózisok és a rákos daganatok kialakulása között, például a szobafestők, a cipészek, vagy a karosszéria lakatosok életében. Kromoszómavesztés kimutatása
8. ábra. Az mwh+Y-kromoszóma – és vele együtt az ép mwh+ gén – vesztése nyomán képződő leánysejt, majd leszármazottai életben maradnak, és a szokásos sejtenként egyetlen szőr helyett egész kis csokorra valót képeznek. A szaggatott fehér vonal egy mwh mozaikfoltot kerít körül, benne két mwh/mwh sejttel A szárnykezdemények az embriógenezis folyamán alakulnak ki, egyenként 30–50 sejtből. A sejtek a lárvaállapotban tízóránként osztódnak, miközben számuk 10–11 sejtciklus során ezerszeresére, nagyjából ötvenezerre nő (9. ábra). A kifejlett szárnykezdemény egyetlen sejtréteg, amelynek mintegy harmincezer sejtje alkotja majdan a kifejlett szárnyat és képez sejtenként egyetlen szőrszálacskát. Az mwh marker-mutáció az mwh/mwh sejteket észrevehetővé teszi, még akkor is, ha harmincezer között csak egyetlen egy mwh/mwh.
9. ábra. A muslica szárnykezdemény
sejtjei a lárva életszakaszban tíz
A kromoszómavesztések gyakoriságát a következő megfontolások alapján lehet „megmérni”. Amennyiben egy mozaik foltot m sejt alkot, úgy kijelenthetjük, hogy az mwh+Y kromoszóma vesztésének időpontjában a szárnykezdemény C/2m sejtből állt. (Tudvalevő, hogy a szárnykezdemény sejtjei nagyjából azonos mértékben járulnak hozzá a szárnyat alkotó sejtek képzéséhez. Itt C az egy szárnyat alkotó összes sejt száma, 30000. Az mwh mozaik foltot alkotó sejtek számát kettővel szorozni kell, mert az mwh+Y kromoszóma vesztését követően az mwh marker-mutáció csak az egyik utódsejtet jelöli meg; 8. ábra.) Ha N szárnyat vizsgálunk, a kezelésnek kitett sejtek száma N C/2m. Minthogy ugyanannyi sejtből képződik mwh mozaik folt, ahányból elvész az mwh+Y kromoszóma, a kromoszómaveszés gyakoriságát, erősségét az f = n 2m/N C öszszefüggéssel lehet jellemezni. (n az mwh mozaik foltok száma N szárnyon.) A kísérlet úgy történik, hogy olyan X/mwh+Y; mwh/mwh lárvákat teszünk ki valamely vizsgálandó hatásnak, amelyekben a szárnykezdemények mindegyike néhány ezer sejtből áll. Vagy úgy, hogy a tanulmányozott vegyületet a táptalajba keverjük, amit a lárvák elfogyasztanak, vagy úgy, hogy szerves oldószerek gőzében tartjuk a lárvákat, esetleg úgy, hogy vékony tűvel beléjük injektáljuk. A lárvákból négy-öt nap multán kifejlődő muslicák szárnyait lecsippentjük, és mikroszkópban kb. 400-szoros nagyítással vizsgáljuk. Feljegyezzük az mwh mozaik foltok számát (n), méretét (m), a szárnyak számát (N), hogy aztán meghatározzuk az mwh+Y kromoszóma vesztésének gyakoriságát. Nos, a spontán mwh+Y kromoszómavesztés gyakorisága sejtosztódásonként mindössze 1,7 x 10–4, és hússzorosára nő, ha a táptalaj 1 mg/ml kolhicint tartalmaz. Minthogy az alapvető sejtfunkciók, a bennük szereplő gének és termékeik az evolúció során erősen megőrződtek, módfelett valószínű, hogy azok a hatások, amelyek instabillá teszik a muslica mwh+Y kromoszómáját, a többire is ugyanilyen hatással vannak. És nemcsak a muslica, hanem a magasabb rendű élőlények – köztük az ember – kromoszómáira is. Lényegében tehát az mwh+Y-kromoszómával, a foltos muslica szárnyak alapján egynémely emberi nyomorúságnak vehetjük elejét. Az írás az OTKA NI 69180
számú pályázata alapján készült.
|
||||