Marosvásárhelyen, az Orvosi és Gyógyszerészeti Intézet Anatómiai katedrájának víruskutató laboratóriumában egy évtizede folynak rendkívül jelentős molekuláris genetikai kutatások. A hisztonkutatásban végzett úttörő munkájukat szerte a világon elismerik. Számos dolgozatuk jelent meg a hazai szaksajtóban. Munkásságuk elismeréseként többek között 1972-ben elnyerték a leideni (Hollandia) Európai Sejtbiológiai Társaság tagságát.
Az elmúlt időszak legnagyobb molekuláris-genetikai felfedezései főleg a nukleinsav-kutatáshoz fűződtek. Elmondhatjuk, hogy tisztázódott a sejtek dezoxiribonukleinsavjának szerepe az öröklésben. A DNS-hez azonban többféle fehérje kapcsolódik, köztük főleg a hisztonok. A legújabb kutatások eredményei alapján állíthatjuk, hogy ezeknek a fehérjéknek legalább olyan fontos szerepük van az öröklési folyamatokban, mint a dezoxiribonukleinsavnak.
Mi a szerepük a hisztonoknak a sejtek életében? – ezzel a kérdéssel fordultunk Blazsek Vladimir tudományos főkutatóhoz, a hazai hisztonkutatás nemzetközileg elismert szaktekintélyéhez.
Jóllehet a hisztonokat mintegy száz évvel ezelőtt fedezték fel, szerepükről hosszú évtizedekig semmit sem tudtunk. Ami a sejtek működésében betöltött feladataikat illeti, a hisztonok a legutóbbi időkig titokzatos fehérjék voltak. Az újabb kutatások fényében ezek a fehérjék kevésbé tűnnek rejtélyesnek.
Ma már nagyon sokat tudunk a sejtek anyagcseréfolyamataiban résztvevő fehérjék felépítéséről. de jóformán semmit a gének összehangolt működéséhez szükséges szabályozás részleteiről.
A szervezetben lejátszódó folyamatok bizonyos időbeni egymásutániságot kívánnak a sejtekben végbemenő kémiai reakcióktól. Megkövetelik egyes enzimek keletkezését, másoknak az eltűnését, gátlását. Az enzimműködés ilyen pontos és finom szabályozása, egyéb lehetőségek mellett, a gének működésének igen finom szabályozását is megkívánja. Itt tulajdonképpen két – különböző feladatú – szabályozás egymás melletti létezését kell feltételeznünk.
Az első szabályozás – a merevebb – a sejtek jellegének, egyéni sajátosságainak az állandóságát biztosítja. Ez a rendszer a szervezetre jellemző összes gének közül csak az adott sejtfajtára jellemzők működését teszi lehetővé.
A második szabályozás – a mozgékonyabb – a sejtre jellemző, vagyis a működőképes génkészlet tevékenységének időbeni egymásutániságát biztosítja, megfelelő időben nyitja, illetve zárja a génműködést. Ez a szabályozás teszi lehetővé a sejten belüli kémiai folyamatok összhangját a sejtközötti, illetve a szervezeti működés kívánalmaival.
Az előbbi mechanizmus egyszer működik: a szervezet kifejlődése alkalmával meghatározza a kialakuló sejtek jellegét: a második rendszer viszont az egyed egész élete folyamán működik. Összegezve: az első szabályozás meghatározza, hogy milyen kódok válhatnak hozzáférhetőkké a második szabályozás számára. A második szabályozás viszont az enzimfehérjék szintézisének időbeni egymásutániságát biztosítja, irányítja.
Bár a genetikai kódolás mechanizmusát főleg egyes baktériumoknál vizsgálták részletesebben, hasonló adatokhoz jutottak egyes emlőssejtek és növényi vírusok kódolási folyamatainak tanulmányozásánál is. Kialakult bizonyos képünk a gén-reguláció rendkívül finom mechanizmusáról is. Felismerték, hogy maga a gén is igen komplex jellegű, alegységekre: cisztronokra, kodonokra, mutonokra és rekonokra bontható.
A baktériumokon végzett kísérletek eredményeként a génműködésre sikerült egy elméletet kidolgozni. Az elmélet szerint egy biokémiai sajátosságért (például a hisztidin nevű aminosav bioszintéziséért) több gén (struktúrgén) felelős, valamennyi gén a bioszintézishez szükséges enzimek keletkezését irányítja. Mivel a gének aktivitását azonos időben kell fokozni vagy gátolni, fel kell tételezni egy irányítógén (operátorgén) közbelépését is, amely az összes többi struktúrgént egyszerre irányítja. Az operátorgén és a struktúrgén együttesen alkotják az operont. A biokémiai sajátosságért felelős rendszer, az operon maximális ütemmel dolgozik mindaddig, míg egy másik gén, a regulátorgén által termelt gátló anyag, a represszor meg nem szünteti az operátorgén működését, ezen keresztül pedig az egész operont gátolja.
Amint azt már ön említette, ez az elmélet baktériumsejtekre vonatkozik. Mi a helyzet a magasabbrendű szervezeteknél?
Ezen a területen még kevés adattal rendelkezünk, de az eddigi vizsgálatok azt bizonyítják, hogy a magasabbrendű szervezetek sejtjeiben szintén szerepelnek gátló anyagok a génműködés irányításában. Az újabb adatok szerint a magasabb rendű, vagyis nagyfokúan differenciálódott élőlényeknél a hisztonokat tartják olyan anyagoknak, amelyek lényeges szerepet játszanak a génregulációban mint represszor anyagok.
A hisztonokat minden sejtben sikerült kimutatni?
Nem, és éppen ez az érdekes. Amikor 1962-ben ezen a kutatási területen vizsgálatainkat megkezdtük, számos mikroorganizmus, alacsonyabb és magabb rendű állati, illetve növényi szervezet hiszton-tartalmát tanulmányoztuk. A megvizsgált baktériumfajták egyikében sem sikerült hisztonokat kimutatni, míg a magasabb rendű szervezetek sejtjeiben igen. Ez a megállapításunk, amelyet egy német szaklapban közöltünk, egybehangzó volt több más kutatócsoport eredményeivel, amint ezt az edinbourghi egyetem kutatói közölték is velünk.
Miben áll a hisztonok szabályozó szerepe?
A hisztonok – bázikus fehérjék lévén – számos pozitív elektromos töltésű csoportot tartalmaznak, míg a DNS-molekulák negatív töltésű csoportokban gazdagok. A DNS-molekulák felszínén elhelyezkedő, azt mintegy beburkoló hisztonmolekulák pozitív töltései semlegesítik az előbbiek negatív töltéseit. Ezáltal a DNS-molekulák sokkal tömöttebb elrendeződése jön létre. Úgy is mondhatnánk, hogy a hisztonmolekulák összecsomagolva tartják a DNS-molekulákat. Ilyenformán a DNS-ben tárolt információk hozzáférhetetlenekké, a gének működésképtelenekké válnak.
A hisztonok génműködést gátló hatása kísérletesen is bizonyítható, sőt a gátlás mértékét is szabályozni lehet, ha a hisztonmolekulák szerkezetét különféle kémiai csoportok (foszfát, acetil, metil) beépítésével megváltoztatjuk. E szabályozás bizonyítékait a sejtekben is megtalálták, mert ilyen módosított hisztonmolekulák jelenléte kimutatható különféle sejtekben. Az eddig ismert ötféle hisztonfajta mindegyike tartalmaz ilyen csoportokat.
Nagyon jelentősnek látszik a hisztonok működése szempontjából, hogy az egyik hisztonféleség, az F3-frakció a többitől eltérő tulajdonsággal rendelkezik.
Tudomásom szerint az önök kutatásai főleg ezen a ponton kapcsolódnak be e fontos terület kutatásának egészébe.
Valóban. Az előbb említett lehetőségeken kívül, a génműködés szabályozásának egy másik útja is lehetséges: a hisztonmolekulák tiol-csoportjaiból kialakuló úgynevezett diszulfid kötések szétbontása, illetőleg újraképződése révén megvalósuló szabályozás. Ez a szabályozási mód tulajdonképpen az élővilág egyik alapvető és elterjedt mechanizmusa. A különböző fehérjék fajlagos szerkezetének kialakítása, számos enzimnek a működése, sőt a sejtosztódás vagy egyes hormonoknak a hatása is a tiol-diszulfid egyensúly változásával kapcsolatos.
A konkrét bizonyítékot, hogy a génszabályozásnak ez az útja is lehetséges, világviszonylatban elsőként mi szolgáltattuk. Az egyik hisztonfrakcióban – feltűnő, hogy csak az egyikben – 1963-ban tiol-csoportok jelenlétét fedeztük fel. Ez az eredmény nagy meglepetést keltett, mert mindaddig a hisztonokat tiolmentes fehérjéknek tartották – és éppen ezért nem vetődött fel az ilyen csoportok részvételével végbemenő génszabályozás lehetősége. Az eredményeinkről szóló beszámoló 1964-ben, egy svájci tudományos folyóiratban jelent meg.
A kérdés aktualitását mutatta az is, hogy az oxfordi egyetem egyik kutatócsoportja szinte velünk egyidőben – mindössze három hónappal később – számolt be hasonló eredményekről.
Elképzelésünket több adattal alátámasztottuk. Kimutattuk, hogy ez a szabályozási mód általános az egész élővilágban. Hatását a legkülönbözőbb sejtekben, így a ráksejtekben is kimutattuk. Amerikai kutatók nemrég megtalálták az ilyen szabályozás lehetőségét növényi sejtekben. Érdekes eredményekre jutottunk egyes gyógyszereknek a génműködésre kifejtett hatásával kapcsolatban is.
A hisztonok tiol-tartalmának tanulmányozására vonatkozó eredményeink igen nagy visszhangot keltettek a nemzetközi tudományos közvéleményben. A probléma úgymond divatba jött. Több kutatócsoport kizárólag ennek a kérdésnek a kutatására tért rá, és máris nagyon érdekes és jelentős eredmények születtek. Az egyik nyugatnémet kutatócsoport legújabb adatai szerint a génreguláció folyamatában döntő szerepe éppen a tiol–diszulfid egyensúlynak van.
Az eddigiekből úgy tűnik, hogy a genetikai hibák már születésünkkor adottak. Állíthatjuk-e tehát, hogy génjeink – a végzetünk? Tehetetlenek vagyunk-e ezzel a végzettel szemben?
Erre a kérdésre határozott nemmel felelhetünk. Mert ezen a téren is a biológia új felfedezéseire hivatkozhatunk. Természetesen az új felfedezések nem hatálytalanították a genetika eddig ismert általános törvényeit, mégis a molekuláris genetika eredményei merőben új helyzetet teremtettek. A genetika általános törvényeinek ismerete lehetővé tette azok tudatos kihasználását. A molekuláris genetika eredményei elvezetnek majd a sejtek belsejében végbemenő öröklési folyamatok mélyebb megismeréséhez, az azokba való tudatos beavatkozáshoz. Említettük, hogy az élő szervezetek nem tudnának fennmaradni és szaporodni, ha bonyolult szabályozási rendszerek nem biztosítanák a gének működésének megfelelő sorrendjét és időrendiségét.
Az egy gén annyi mint egy enzim (újabban inkább: egy cisztron = egy enzim) törvénye alapján egy gén működésének kiesése: egy enzim vagy egy egész enzimrendszer hatásának megszűnését jelenti. Egy enzim hiánya viszont egy egész anyagcserefolyamat leállását idézi elő. Az embernél számos olyan betegség ismeretes, amelyet génműködés zavara következtében enzimhiány okoz. Ezeket a betegségeket genetikai vagy molekuláris betegségnek nevezik.
Az ilyen típusú betegségeknél az elsődleges ok a génműködés kiesése miatt fellépő enzimhiány. A betegséget azonban közvetlenül az enzimzavar következtében felhalmozódó kóros anyagcseretermékek mérgező hatása okozza.
A molekuláris betegségek között felesleges gén jelenlétéből adódó károsodás is felléphet. Egy ilyen aberráció a mongolizmus, súlyos szellemi visszamaradottsággal járó betegség. Néha azonban nemcsak egész gének tűnnek el vagy jelennek meg, hanem részleges változást szenved a fehérje szerkezetére vonatkozó információ. A hibás gén miatt hibás fehérje képződik.
Ma már egyre valószínűbb, hogy valamely sejt ráksejtté válását a genetikai regulációs mechanizmusban fellépő torzulások idézik elő. Ez nem jelenti azt, hogy a rákot nem okozhatják más tényezők is (vírusok vagy karcinogén anyagok), amelyek a sejtmagba hatolva megváltoztatják a sejt genetikai apparátusának működését.
A ma orvostudományára a fertőző betegségek legyőzésének befejezése jellemző. Szemünk előtt bontakoznak ki az új korszaknak, a molekuláris betegségek felszámolása korszakának a körvonalai. Ma már közel kétszáz ilyen típusú betegséget ismerünk, ezeknek sora azonban még nincs lezárva. A génreguláció finom és kényes mechanizmusában beálló zavaroknak a kijavítása, az eredményeknek a mindennapi orvosi gyakorlatban való alkalmazhatósága feltételezi ennek a szabályozási rendszernek a megismerését. Éppen ezért ezeknek a folyamatoknak a feltárása napjaink legnagyobb gyakorlati jelentőséggel bíró orvostudományi problémája is.
A génreguláció részleteinek tisztázása nemcsak a fennálló hibák kijavítását, hanem befolyásolásukat is lehetővé tenné számunkra. Ennek révén nemcsak az említett betegségek gyógyítása, hanem például mezőgazdasági célokra tökéletesített állatok és növények tudatos előállítása is megvalósulhatna.
A jövő még izgalmasabb lehetőségeket rejt magában. Említettük, hogy egy sejtféleség az egyed összes génjeit tartalmazza, a sejtre jellemzőeket aktív, míg másokat gátolt állapotban. Ha ezt az – eddig ismeretlen – géneket aktiváló-inaktiváló folyamatot megismerjük és befolyásolni tudjuk, akkor az egyik fajta sejtet tetszés szerint másfajta sejtté lehetne átalakítani. Új és beláthatatlan hatású fegyver kerülne az orvostudomány kezébe a különböző betegségek leküzdésére.
Merőben új utakat nyithatnánk a szervpótlások területén is, olyan értelemben, hogy egy súlyossá sérült vagy hiányos működésű szerv sejtjeit vagy pedig más szervtől származó sejteket kifogástalan működésű szerv kialakítására késztetnénk. Ezáltal az immunológiai elutasítás veszélye fel sem vetődne.
Nem túlságosan fantasztikus ez az elképzelés?
Csak annyira, amennyire az űrhajózás gondolata tűnt fantasztikusnak Verne korában.
Megjelent A Hét V. évfolyama 16. számában, 1974. április 19-én.