Több mint fél évszázada áll ez a sejtalkatrész a tudományos érdeklődés középpontjában, a biológia történetének utóbbi évtizedeiben pedig különösen nagy viták és korszakalkotó felfedezések tárgya lett. A körülötte fellángolt – főleg filozófiai jellegű – viták, az egzakt kutatások eredményeiként az utóbbi évek során lassan elcsitultak, de a szerkezetének és működésének tisztázására irányuló kutatómunka még közelről sem fejeződött be. A kromoszómákkal kapcsolatos eddigi ismereteink jelentőségéről elég talán annyit elmondanunk, hogy ők képezik az örökléstan (genetika) sejttani alapját, s hogy a biológia legújabb s egyben legmodernebb ágának, a molekuláris biológiának megjelenése jórészt a kromoszómákkal közvetlenül vagy közvetve kapcsolatos vizsgálódás eredménye.
Az első megfigyelések
Flemming 1872-ben írta le a sejtfonalas osztódását, mitózisát (mítosz, gör. = fonal). Eszerint a sejt szaporodását megelőzően a sejtmag hártyája feloldódik a protoplazmában, az addig szemcsés szerkezetű sejtmag anyaga pedig gomolyagban elhelyezkedő fonalas szerkezetűvé válik (profázis vagy monospiréma állapot), hogy aztán feldarabolódva a sejt középsíkjában csillag alakban elhelyezkedő erősen festődő, pálcika formájú képletekké alakuljon (metafázis vagy monaszter állapot). Ezeket a képleteket nevezte Waldeger „kromoszómáknak”. A kromoszómák hosszanti hasadással osztódnak, majd a sejt két ellentétes pólusa felé húzódnak szét (anafázis vagy diaszter állapot), ahol ismét gomolyagot képeznek (telofázis vagy dispiréma állapot), e körül pedig új maghártya alakul ki; a képletek ismét szemcsés szerkezetűvé válnak, miközben közöttük a sejthártya befűződik (növényi sejteknél új sejtfal képződik) – így két új leánysejt jön létre. Úgy látszott, hogy a kromoszómák (chroma, gör. = szín, festék; szóma, gör. = test), ezek a sejt szaporodása idején a sejtmagból kialakuló, majd ismét eltűnő sejtszervek a sejtosztódásának irányítói csupán. Feltűnt azonban, hogy számuk egy szervezet valamennyi sejtjében azonos és hogy fajonként erősen változó (fajspecifikus). Az ivarsejtek érési oszlásának tanulmányozása során kiderült, hogy ez esetben a szervezet többi sejtjeinek osztódási formájától eltérő jelenséggel találkozunk. Ekkor ugyanis, a kromoszómák száma mind a női, mind a hím ivarsejtekben pontosan felére csökken. A jelenséget számcsökkentő sejtosztódásnak, műszóval meiózisnak nevezték el (meíōsis, gör.=kicsinyítés). Ez a megfigyelés világos magyarázatát adta a fajra jellemző – generációk során átkövethető – kromoszómaszám-állandóságnak. Ha ugyanis a testi sejtek kromoszóma-száma 2n (diploid garnitúra), az ivarsejteké pedig az érési oszlás során n-re csökken (haploid garnitúra), megtermékenyítéskor a hímés a női ivarsejtek (gaméták) egyesülése után keletkező új szervezet (zygota) elsősejtjében ismét helyreáll a fajra jellemző 2n kromoszómaszám. Ezt a feltevést megerősítette az is, hogy a testi sejtek osztódásakor, a metafázisban jól tanulmányozható kromoszóma-garnitúra tagjai egymással alaki és nagyságrendi tulajdonságaik alapján valóban párokba rendezhetők. A párok egyik tagja a hím, másik a női ivarsejt haploid garnitúrájának kromoszómáiból származtatható. Sajátos különbséget sikerült kimutatni a hím- és nőivarú egyedek kromoszóma szerelvényében. Míg az állatok nőstényeinek nagy részénél (ebbe a csoportba tartozik az ember is), valamennyi kromoszóma párba rendezhető, addig a hímek két kromoszómája egymástól alakilag és nagyságrendileg erősen különbözik. Ezen az alapon sikerült a nemi kromoszómákat (a női diploid garnitúrában: XX; a hím diploid garnitúrában XY) meghatározni, majd a nemi jelleget meghatározó szerepüket bizonyítani. Ezek az adatok már elegendőnek bizonyultak ahhoz a következtetéshez, hogy a kromoszómáknak jelentős szerepük lehet az örökletes tulajdonságok átvitelében.
Az öröklődés kromoszómaelméletének alapja
A kromoszómának – a klasszikus leírás szerint – két karja (karyotidája) van, a két kart egy központi befűződés (centroméra) választja elegymástól. A karyotidákhoz esetlegesen apródok (szateliták) kapcsolódhatnak. Kívülről a mátrix (vagy kalymma) burkolja, belsejében pedig kettős spirál (hélix) formájában csavarodott, vékony, fonalszerű képlet, a kromonéma fut, amelyen gyöngysorszerűen elhelyezkedő rögök, a kromomérák figyelhetők meg. A kromonéma-fonal spirálvonala nem azonos sűrűségű. Helyenként lazább, gyengébben festődő (eukromatikus), más helyen sűrű, erősebben festődő (heterokromatikus) területek találhatók, ami jellegzetes – fénymikroszkóppal is látható – csíkozatot eredményez. Ez a csíkozottság a bormuslica óriáskromoszómáinak tanulmányozásánál különös előnyt jelentett. A klasszikus genetika feltételezése szerint: a kromomérákban helyezkednének el a „gének”, a tulajdonságok átörökítő egységei.
T. H. Morgan (1867-1945) és iskolája, főleg a bormuslicán (Drosophyla melanogaster) végzett, mintegy negyven éven át tartó kísérleti munkával, hatalmas anyagon bizonyította a kromoszómák és az öröklődés közötti összefüggéseket. Ez a légyfajta ideális kísérleti állatnak bizonyult. Laboratóriumi körülmények között jól tenyészthető, egy év alatt 24 egymást követő nemzedéke tanulmányozható. Nőstényei több száz utódot hoznak, az eredmények tehát statisztikailag is megfelelő számú egyeden értékelhetők. Kromoszómáinak száma kevés: 2n=8, (azaz négy pár) és alaki tulajdonságaik szerint könnyen azonosíthatók. A Drosophyla nyálmirigyében lévő óriáskromoszómák a szokványos fénymikroszkóppal, a korabeli, még primitívnek számítható vizsgálati módszerekkel is kiváló lehetőséget biztosítottak a kísérletekhez. E kutatásoknak köszönhetően ma annyira ismerjük a Drosophyla több mint 1000 vizsgált tulajdonságának öröklődési menetét, mintha emberi vonatkozásra átszámítva 32 000 éven át az emberiség minden tagjának elvégezték volna a hasonlóan pontos genetikai értékelését.
A morgani genetika kísérleti tényalapját alkotó adatokat a modern örökléstan is sok szempontból hasznosította s igazolta ezen elmélet több törvényszerűségének igazságát és használhatóságát. A morgani iskolának – igen szellemes módszerrel – sikerült a Drosophyla géntérképét is elkészítenie (azaz meghatároznia az egyes tulajdonságokért felelős gének helyét a kromoszómákon). Ez az eredmény az örökléstani kutatások teljes diadalának látszott – úgy tetszett, hogy az akkor már sokat ígérő elektronmikroszkóp segítségével a kromoszóma szerkezetében sikerül majd kimutatni a géneket: a tulajdonságok öröklődését biztosító, akkor még alaktanilag is kimutathatónak vélt legkisebb egységeket. Az elektronmikroszkóp azonban nem a várt képet tárta a kutatók elé. A géneket nem sikerült kimutatni, a kromomérákról pedig kiderült, hogy csupán a festési eljárás műtermékei, a kromonémaspirál keresztezési pontjain keletkező, nagyobb optikai sűrűség okozta látszólagos rögök.
Új lehetőségek
A második világháború után megindult intenzív kutatómunka gyors ütemben szülte az új eredményeket. Az elektronmikroszkóp tökéletesítése, a biokémia fejlődése, a sejttenyésztés új módszerei, a kromoszómák kimutatásának új technikája – mindezek eddig nem is remélt lehetőségeket nyújtottak a kísérleti munkához.
Tjio és Levan 1956-ban – új kromoszóma-kimutatási módszerük segítségével – tisztázták az emberi kromoszómák alaki és számbeli tulajdonságait. Nagy feltűnést keltett akkoriban az a bejelentés, hogy az emberi diploid kromoszóma-garnitúra 46 tagból áll. (Addig 48-nak tudtuk). Az új eljárás a megfigyelés olyan lehetőségeit tárta fel, hogy az emberi kromoszómákat sikerült rendszerbe is foglalni,s ezt a rendszert az 1960-as denweri kongresszus is elfogadta: ezért Denwer-rendszer néven vált ismeretessé. Ez után nagyarányú kutatás indult meg, az emberi örökletes betegségeknek, kromoszóma-garnitúrában fénymikroszkóppal is kimutatható rendellenességeknek leírására. Rövidesen sikerült is kromoszómaszinten kimutatni több örökletes betegség alapját, s ezzel a módszert az orvosi diagnosztika szolgálatába állítani. Sajnos a módszer csak olyan esetekben alkalmazható, amelyekben az elváltozás a kromoszómák számában, vagy alaki rendellenességeiben is kimutatható. A finomabb szerkezethez kötött elváltozások kimutatására alkalmatlan.
A felismerés, hogy a sejtmag állandó és kötelezően jelenlevő kémiai építőanyaga, a dezoxiribonukleinsav (DNS) a kromoszómákban helyezkedik el, a genetikai kutatások középpontjába helyezte ezt az óriásmolekulájú anyagot. Az eredmények, melyeket a DNS kémiai felépítésének és biológiai jelentőségének feltárása terén elértek, valóban korszakalkotóak. Watson és Crick nagy vonalakban tisztázta kémiai felépítését, és molekulájának szerkezeti modelljét is elkészítette. Ez a szerkezeti modell alkalmasnak látszik arra, hogy segítségével kódolni lehessen azokat a kémiai struktúrákat, amelyek az egyes tulajdonságokat a fehérjeszintézis szintjén határozzák meg. Ezzel a tudományos megismerés eljutott a génműködés molekuláris szinten lehetséges magyarázatához. Fontos lépés volt ezen a téren az információelmélet alkalmazása, mely, úgy látszik, sikeres lehet a biológiai jelenségek molekuláris magyarázatánál is.
A kromoszómáknak az egyedi tulajdonságok átvitelében betöltött szerepét hangsúlyozva felmerül a kérdés: miért nem csak az ivarsejtek rendelkeznek ezekkel a sejtszervecskékkel, vagy mi a feladatuk a többi sejtek esetében? Egysejtű szervezeteknél a sejt osztódása együtt jár a szaporodással. Sejtszinten vizsgálva a jelenséget, a többsejtűek egyetlen szaporodósejtje azokat a tulajdonságokat adja át az utódsejtnek, amelyekkel eleve rendelkezett. Ugyanakkor a többsejtűek sejtosztódásai a növekedés és fejlődés részjelenségei, hisz a szervezet növekedését elsősorban a sejtek szaporodása eredményezi, a fejlődés pedig a szaporodó sejtek egyre sokoldalúbban differenciált formában való megjelenésének következménye. Az ember valamennyi sejtje egyetlen sejtből: a megtermékenyített petesejtből keletkezik, s az állandóan pusztuló sejtek utánpótlása is sejtosztódással történik.
Az örökletes tulajdonságok sejtszintű és szervezetszintű átadásának biztosításán kívül a kromoszómák szerepe igen fontos a sejt normális anyagcseréjének fenntartásában is. Bár ezeknek a folyamatoknak a nagy része még nem teljesen tisztázott, úgy látszik, hogy aktív működésük az osztódás szakaszában sokkal redukáltabb s ez idő alatt a sejttevékenység bizonyos mértékben felfüggesztődik. A további kutatások éppen a kromoszómáknak a két sejtosztódás közötti időszakra eső funkcionális jelentőségét hivatottak felderíteni, mert úgy látszik, hogy a metafázisban tanulmányozható statikus alaktani kép vizsgálati lehetőségei már csaknem teljesen kimerítettek.
A szerző megjegyzése
A kromoszóma című cikkem nem tartalmaz tudományos szenzációt. A benne leírtak már tankönyvi adatoknak számítanak. A molekuláris biológia, az információelmélet korában, amikor a genetikai kód, az aminosav-szekvencia stb. fogalma már a társasági zsargonba is bevonult (gyakran helytelenül), „szakállas” témának tűnhet a kromoszóma.
Mégis, miért írtam róla? Mert megdöbbentett az a pontatlan, szinte hihetetlenül zavaros kép, ami a kromoszóma fogalma körül tapasztalható a művelt közönség körében is. Két erre vonatkozó kérdést próbáltam feltenni tizenkét nem szakmabeli ismerősömnek: 1. Láthatók-e kromoszómák normál fénymikroszkóppal? A megkérdezettek egyöntetűen nemmel válaszoltak. 2. Van-e minden sejtben kromoszóma? A válaszok különbözőek voltak. Nem szeretnék statisztikát közölni, hisz ennyi is elég ahhoz, hogy belássuk: időnként az alapfogalmakat is fel kell eleveníteni, különösen ha tartalmuk közben kiszélesedett.
A szerkesztő megjegyzése
Örömmel adunk helyet Bedő Sándor tudományismertetői véleményének. Igényét, hogy az alapfogalmakat minden esetben tisztázzuk – több olvasónk és szerzőnk osztja. A jelzett igény kielégítésére született meg nemrég új rovatunk, a Kislexikon; ami pedig az alapfogalmaknak magában a cikkben való (azonnali) magyarázatát illeti – bár ez olykor árthat a cikk publicisztikai értékének –, természetesen ettől sem idegenkedünk.
Megjelent A Hét IV. évfolyama 36. számában, 1973. szeptember 7-én. Az illusztrációk mostaniak.
