A gének a sejteket életben tartó kémiai gépezet felépítésének tervei. Ez igaz az emberre és az élet minden más formájára. De tudtad, hogy a 20 000 génnel az embernek majdnem 11 000-rel kevesebb génje van, mint a vízibolhának? Ha a gének száma nem jelzi előre a komplexitást, akkor mi az?
A válasz az, hogy a genetikai anyagunk sokkal többet tartalmaz, mint az általunk géneknek nevezett egységek. Ugyanilyen fontosak azok a kapcsolók, amelyek be- és kikapcsolják a géneket. És az, hogy a sejtek hogyan olvassák és értelmezik a genetikai utasításokat, sokkal összetettebb az emberekben, mint azokban a vízibolhákban.
A DNS-ből készülnek a gének és az őket vezérlő kapcsolók. Ez egy hosszú, spirális létrára emlékeztető molekula. Alakját kettős spirálnak nevezik. Ennek a létrának a két külső szálát – a függőleges támaszokat – összesen hárommilliárd lépcsőfok köti össze. A lépcsőfokokat bázispároknak nevezzük a két kémiai anyag (pár) után, amelyekből készülnek. A tudósok az egyes vegyi anyagokat a kezdőbetűjükkel jelölik: A (adenin), C (citozin), G (guanin) és T (timin). Az A mindig a T-vel, a C mindig a G-vel párosul.
Az emberi sejtekben a kettős szálú DNS nem egyetlen gigantikus molekulaként létezik. Kisebb darabokra, úgynevezett kromoszómákra (KROH-moh-soams) van felosztva. Ezek sejtenként 23 párba vannak csomagolva. Ez összesen 46 kromoszómát jelent. A 46 kromoszómánkon található 20 000 gént együttesen az emberi genomnak nevezzük.
A DNS szerepe hasonló az ábécé szerepéhez. Lehetősége van arra, hogy információt hordozzon, de csak akkor, ha a betűket úgy kombináljuk, hogy értelmes szavakat alkossunk belőlük. A szavak összefűzése utasításokat eredményez, mint egy receptben. A gének tehát utasítások a sejt számára. Az utasításokhoz hasonlóan a géneknek is van egy “kezdete”. A bázispároknak meghatározott sorrendben kell követniük egymást, amíg el nem érnek egy meghatározott “véget”.
Ha a gének olyanok, mint egy alaprecept, akkor az allélok (Ah-LEE-uhls) ennek a receptnek a változatai. Például a “szemszín” gén alléljai a szemek kék, zöld, barna és így tovább kialakításához adnak utasításokat. Mindegyik szülőnktől egy-egy allélt, azaz génváltozatot örökölünk. Ez azt jelenti, hogy a legtöbb sejtünk két allélt tartalmaz, kromoszómánként egyet.
De nem vagyunk szüleink (vagy testvéreink) pontos másolatai. Ennek oka: mielőtt örökölnénk őket, az allélokat megkeverik, mint egy pakli kártyát. Ez akkor történik, amikor a szervezet petesejteket és spermiumokat hoz létre. Ezek az egyetlen olyan sejtek, amelyekben minden génnek csak egy változata van (kettő helyett), 23 kromoszómába csomagolva. A petesejtek és a spermiumok a megtermékenyítésnek nevezett folyamat során egyesülnek. Ez indítja el egy új személy fejlődését.
A 23 kromoszóma két készletének kombinálásával – egy készlet a petesejtből, egy készlet a spermiumsejtből – ez az új személy a szokásos két alléllal és 46 kromoszómával végzi. És az ő egyedi allélkombinációja soha többé nem fog pontosan ugyanúgy keletkezni. Ez tesz mindannyiunkat egyedivé. de nem vagyunk szüleink (vagy testvéreink) pontos másolatai. Ennek oka: mielőtt örökölnénk őket, az allélokat megkeverik, mint egy pakli kártyát. Ez akkor történik, amikor a szervezet petesejteket és spermiumokat hoz létre. Ezek az egyetlen olyan sejtek, amelyekben minden génnek csak egy változata van (kettő helyett), 23 kromoszómába csomagolva. A petesejtek és a spermiumok a megtermékenyítésnek nevezett folyamat során egyesülnek. Ez indítja el egy új ember fejlődését.
A megtermékenyített sejtnek szaporodnia kell ahhoz, hogy a baba összes szerve és testrésze létrejöjjön. A szaporodáshoz a sejt két azonos példányra osztódik. A sejt a DNS-ében lévő utasításokat és a sejtben lévő vegyi anyagokat használja fel arra, hogy egy azonos DNS-másolatot készítsen az új sejt számára. Ezután a folyamat sokszor megismétlődik, miközben az egyik sejtből kettő lesz. A kettőből pedig négy lesz. És így tovább.
A szervek és szövetek létrehozásához a sejtek a DNS-ükön lévő utasításokat arra használják, hogy apró gépeket építsenek. Ezek irányítják a sejtben lévő vegyi anyagok közötti reakciókat, amelyek végül szerveket és szöveteket hoznak létre. Az apró gépek a fehérjék. Amikor egy sejt leolvassa egy gén utasításait, azt génexpressziónak nevezzük. A megtermékenyített sejtnek szaporodnia kell ahhoz, hogy a baba összes szerve és testrésze létrejöjjön. A szaporodáshoz a sejt két azonos példányra osztódik. A sejt a DNS-ében lévő utasításokat és a sejtben lévő vegyi anyagokat használja fel arra, hogy az új sejt számára azonos DNS-másolatot hozzon létre. Ezután a folyamat sokszor megismétlődik, miközben az egyik sejtből kettő lesz. A kettőből pedig négy lesz. És így tovább.
Hogyan működik a génexpresszió?
A gének kifejeződése segédmolekulákra támaszkodik. Ezek értelmezik a gén utasításait, hogy a megfelelő típusú fehérjéket állítsák elő. E segédmolekulák egyik fontos csoportját RNS-nek nevezik. Kémiailag hasonlít a DNS-hez. Az RNS egyik típusa a hírvivő RNS (mRNS). Ez a kettős szálú DNS egyszálú másolata.
A DNS-ből mRNS-t készíteni a génexpresszió első lépése. Ezt a folyamatot nevezik átírásnak, és a sejtmagban, vagyis a sejtmagban történik. A második lépés, az úgynevezett transzláció a sejtmagon kívül zajlik. Ez az mRNS-üzenetet fehérjévé alakítja a megfelelő kémiai építőelemek, az úgynevezett aminosavak (Ah-MEE-no) összeállításával.
Minden emberi fehérje 20 aminosav különböző kombinációiból álló lánc. Egyes fehérjék kémiai reakciókat irányítanak. Egyesek üzeneteket közvetítenek. Megint mások építőanyagként funkcionálnak. Minden szervezetnek szüksége van fehérjékre, hogy sejtjei élni és növekedni tudjanak.
A fehérje felépítéséhez egy másik RNS-típus – a transzfer RNS (tRNS) – molekulái sorakoznak az mRNS-szál mentén. Minden tRNS egy hárombetűs szekvenciát hordoz az egyik végén, a másikon pedig egy aminosavat. Például a GCG szekvencia mindig az alanin (AL-uh-neen) aminosavat hordozza. A tRNS-ek a szekvenciájukat az mRNS-szekvenciával egyeztetik, egyszerre három betűt. Ezután egy másik segédmolekula, az úgynevezett riboszóma (RY-boh-soam) összekapcsolja az aminosavakat a másik végén, és így jön létre a fehérje.
Egy gén, több fehérje
A tudósok először azt hitték, hogy minden gén csak egy fehérje előállításának kódját tartalmazza. Tévedtek. Az RNS-gépezet és segítői segítségével sejtjeink 20 000 génjükből sokkal több mint 20 000 fehérjét képesek előállítani. A tudósok nem tudják pontosan, hogy még mennyi. Lehet néhány százezer – talán egymillió!
Hogyan tud egy gén egynél többféle fehérjét előállítani? Egy génnek csak néhány szakasza, az úgynevezett exonok kódolják az aminosavakat. A köztük lévő régiók az intronok. Mielőtt az mRNS elhagyja a sejtmagot, segédmolekulák eltávolítják az intronokat, és összefűzik az exonokat. A tudósok ezt mRNS-splicingnek nevezik.
Az azonos mRNS különböző módon splicingelhető. Ez gyakran különböző szövetekben (talán a bőrben, az agyban vagy a májban) történik. Olyan ez, mintha az olvasók különböző nyelveket “beszélnének”, és ugyanazt a DNS-üzenetet többféleképpen értelmeznék. Ez az egyik módja annak, hogy a szervezetnek több fehérjéje legyen, mint génje.
Itt egy másik mód. A legtöbb génnek több kapcsolója van. A kapcsolók határozzák meg, hogy az mRNS hol kezdi el olvasni a DNS-szekvenciát, és hol hagyja abba. A különböző kezdő- vagy végpontok különböző fehérjéket hoznak létre, némelyik hosszabb, némelyik rövidebb. Néha az átírás nem kezdődik el, amíg több kémiai anyag nem kapcsolódik a DNS-szekvenciához. Ezek a DNS-kötőhelyek távol lehetnek a géntől, de attól még befolyásolják, hogy a sejt mikor és hogyan olvassa le az üzenetét.
A szplíciumváltozatok és a génkapcsolók különböző mRNS-eket eredményeznek. Ezeket pedig különböző fehérjékké fordítják le. A fehérjék azután is változhatnak, hogy építőelemeik lánccá állnak össze. A sejt például vegyi anyagokat adhat hozzá, hogy egy fehérjének valamilyen új funkciót adjon.
A DNS több mint építési utasítás
A fehérjék előállítása messze nem a DNS egyetlen szerepe. Valójában az emberi DNS-nek csak egy százaléka tartalmazza azokat az exonokat, amelyeket a sejt fehérjeszekvenciákká fordít. A DNS-nek a génexpressziót irányító hányadára vonatkozó becslések 25 és 80 százalék között mozognak. A tudósok még nem tudják a pontos számot, mert nehezebb megtalálni ezeket a szabályozó DNS-régiókat. Némelyikük génkapcsoló. Mások olyan RNS-molekulákat állítanak elő, amelyek nem vesznek részt a fehérjék felépítésében.
A génexpresszió szabályozása majdnem olyan bonyolult, mint egy nagy szimfonikus zenekar vezénylése. Gondoljunk csak bele, mi kell ahhoz, hogy egyetlen megtermékenyített petesejtből kilenc hónap alatt csecsemő fejlődjön.
Szóval nem mindegy, hogy a vízibolháknak több fehérjekódoló génjük van, mint az embereknek? Nem igazán. Bonyolultságunk nagy része a DNS-ünk szabályozó régióiban rejtőzik. És a genomunk ezen részének megfejtése még sok-sok évig le fogja kötni a tudósokat.