Gének és kromoszómák 3: gének, fehérjék és mutációk

Bevezetés

Az emberi test felépítésének és működésének tervét a dezoxiribonukleinsav (DNS) szekvenciái, az úgynevezett gének tárolják. Ez a genetikai információ különböző funkciójú fehérjék előállítására szolgál, az izom-, csont- és bőrépítéshez nélkülözhetetlen szerkezeti fehérjéktől kezdve az enzimekig, amelyek a szervezet túléléséhez nélkülözhetetlen biokémiai reakciókat katalizálják. Az emberi genetikai kódban lévő hibák, amelyeket mutációknak nevezünk, néha abnormális fehérjék termelődéséhez vezetnek, amelyek betegséget okozhatnak, beleértve az autoimmun betegségeket és a rosszindulatú daganatos betegségeket.

Fehérjék

A fehérjék nélkülözhetetlenek az emberi test felépítéséhez és működéséhez egyaránt. Ezek az összetett makromolekulák aminosavaknak nevezett építőelemekből épülnek fel, olyan egyszerű szerves vegyületekből, amelyek egy karboxil- (-COOH) és egy aminocsoportot (-NH2) tartalmaznak. A természetben 20 aminosav létezik (1. doboz); további változatok szintetikusan előállíthatók laboratóriumban.

Aminosavak

A hatékony működés érdekében, az emberi sejteknek folyamatosan új fehérjéket kell építeniük a régebbi, sérült fehérjék helyett. Ehhez mind a 20 aminosav folyamatos ellátására szükség van. Az emésztés során a tápcsatorna egymás után bontja le a táplálékban található nagyméretű állati és növényi fehérjéket polipeptidekre, peptidekre és végül “szabad” aminosavakra, amelyek képesek átjutni a bélfalon, hogy felszívódjanak a véráramba (VanPutte et al, 2017).

A természetben előforduló aminosavakat (1. doboz) két kategóriába soroljuk:

• Eszenciális – az a kilenc aminosav, amelyet az emberi sejtek nem tudnak szintetizálni, ezért közvetlenül a táplálékból kell hozzájutniuk;
• nem esszenciális – az a 11 aminosav, amelyet az emberi sejtek képesek szintetizálni, ha a táplálékkal való közvetlen ellátás kevés.

Ez a terminológia zavaró lehet, mivel az úgynevezett nem esszenciális aminosavak valójában esszenciálisak a fehérjék felépítéséhez; a kifejezést csupán annak jelölésére használják, hogy nem kell őket a táplálékból beszerezni.

Ha a megfelelő táplálkozás egészséges és kiegyensúlyozott étrenddel biztosított, a sejtek megkapják a fehérjeforgalomhoz szükséges aminosavakat. A helytelen táplálkozás, az étkezési zavarok, bizonyos gyógyszerek és az öregedési folyamat (amely csökkentheti az étvágyat) azonban mind korlátozhatják az aminosavak, különösen a kilenc esszenciális aminosav étrendi hozzáférhetőségét. Ez veszélyezteti a szervezet fehérjepótló képességét, ami potenciálisan izomsorvadáshoz és betegségekhez vezethet.

Fehérjefajták

A fehérjék alkotják az emberi test legnagyobb szerves összetevőjét, egy tipikus emberi sejt száraz tömegének körülbelül 50%-át teszik ki (Radivojac, 2013). A sejtek citoplazmájában szintetizálódnak, ahol az aminosavak peptidkötésekkel kapcsolódnak egymáshoz, hosszú, elágazó láncokat alkotva, amelyek néhány aminosavtól akár több ezerig terjedhetnek. Ezek az aminosavláncok tovább hajtogatódnak vagy csavarodnak azokba az egyedi háromdimenziós konfigurációkba, amelyeket fel kell venniük ahhoz, hogy betöltsék a szervezetben kijelölt szerepüket (VanPutte et al, 2017).

A legnagyobb jelenleg ismert fehérje az emberi szervezetben a titin (vagy connectin) nevű izomfehérje, amely mintegy 33 000 aminosavból áll. Molekuláris rugóként működik, és úgy gondolják, hogy hozzájárul az izomösszehúzódás erejéhez (Powers et al, 2014).

A humán genomprojekt kimutatta, hogy az embernek valamivel kevesebb mint 20 000 olyan szerkezeti génje van, amely egyes fehérjéket kódol. Azonban minden egyes gén akár 100 variánst is létrehozhat az általa kódolt fehérjéből, így az emberi szervezetben akár kétmillió különböző fehérjeváltozat is jelen lehet (Ponomarenko et al, 2016).

A leggyakoribb fehérjékre példák a következők:

• Aktin és miozin – az izomban található összehúzódó fehérjék;
• Keratin – a hajban, a körmökben és a bőr felhámjában található sűrű fehérje;
• Kollagén – általános célú szerkezeti fehérje (amelyet például a porcok és csontok vázának felépítéséhez használnak), amely különböző rostos formákban létezhet;
• Proteinhormonok, mint az inzulin vagy a glükagon – általában rövid láncok, úgynevezett peptidek, ezek a vérben keringenek és kémiai hírvivőként működnek;
• Katabolikus emésztőenzimek, mint a pepszin, tripszin és amiláz – ezek segítenek megemészteni és a táplálék makromolekuláit a szervezet által felszívható egyszerű összetevőkre bontani;
• Anabolikus enzimek, mint a DNS-polimeráz, a ribonukleinsav (RNS) polimeráz és a glikogén-szintáz – részt vesznek a DNS, RNS és glikogén (állati keményítő) molekulák felépítésében;
• Haemoglobin – részt vesznek a vörösvértestekben (eritrocitákban) az oxigén és a szén-dioxid szállításában;
• Antitestek, gyakran immunglobulinoknak is nevezik – kis Y alakú fehérjék, amelyek döntő szerepet játszanak az immunrendszerben, idegen anyaghoz kötődnek, ezáltal megjelölik azt megsemmisítésre;
• Neurotranszmitterek – kis fehérjék, amelyek kémiai hírvivőként működnek az idegrendszerben (pl. a P anyag);
• Neurotranszmitter receptorok – ezek (pl. az acetilkolin receptor) fogadják a neurotranszmitterek üzeneteit.

Riboszómák

A fehérjéket a sejtekben a riboszómák, a citoplazma endoplazmatikus retikulumába (ER) sűrűn elhelyezkedő és beágyazott kis organellák szintetizálják. Az ER lapos, egymással összekapcsolt membránok rendszere, és felületének nagy részét riboszómák borítják, ami durva, egyenetlen megjelenést kölcsönöz neki, ami miatt a régiót durva ER-nek nevezik. Itt a riboszómák “fordítják” a genetikai kódot azáltal, hogy aminosavakat raknak össze a fehérjék létrehozásához (Lewis, 2018).

A riboszómák többnyire az RNS egy speciális formájából, a riboszomális RNS-ből (rRNS) állnak, amelyet kis mennyiségű fehérje stabilizál, amelyek magukat a riboszómákat is segítik összeállítani (De la Cruz et al, 2015). Egyetlen emberi sejtben egyszerre akár több ezer riboszóma is aktívan építheti a fehérjéket.

A génektől a fehérjékig

A szerkezeti gének a fehérjékben lévő aminosavak szekvenciáját meghatározó DNS-szekvenciákat tartalmazzák. A kontroll (vagy szabályozó) gének szabályozzák, hogy egy adott szövetben mely szerkezeti gének fejeződjenek ki (“kapcsoljanak be”).

A DNS-ben található genetikai információ felhasználása a fehérjék felépítésére néhány különböző lépést foglal magában:

• Transzkripció;
• Post-transzkripciós módosítás;
• Transzláció;
• Post-transzlációs módosítások.

Transzkripció

A sejtmagban tárolt genetikai információt el kell juttatni a citoplazmában lévő riboszómákhoz. A sejtmag belsejében a DNS hatalmas kettős spirálok formájában létezik. A DNS-molekulák túl nagyok ahhoz, hogy közvetlenül eljussanak a riboszómákhoz, ezért a DNS-ben tárolt genetikai információt egy kisebb, mozgékonyabb hordozóra kell másolni – ezt a folyamatot nevezzük átírásnak.

Az átírás során a fehérjét kódoló génszekvenciát a kettős szálú DNS-ről egyszálú RNS-re másolják (1. ábra). Az egyszálú RNS-molekulák sokkal kisebbek, mint a DNS-molekulák, ezért át tudnak jutni a magmembrán apró pórusain. Az RNS-molekula szerepe az lesz, hogy fehérjeépítési utasításokat juttasson el a riboszómához. Mivel az RNS-nek ez a formája szállítja az információt a sejtmagból a citoplazmába, hírvivő RNS-nek (mRNS) nevezik.

Az RNS a DNS-hez hasonlóan nukleotidbázisokból épül fel, de a DNS-től eltérően nincs benne timin bázis. Az RNS-ben a timint egy másik nukleotidbázis, az uracil helyettesíti. Az átírás bázispárosodási szabályai ezért némileg eltérnek a DNS-replikáció bázispárosodási szabályaitól (2. doboz).

A DNS-átírás folyamata nagyon hasonlít a DNS-replikációéhoz (lásd a 2. részt), és a következő lépésekből áll:

• Az RNS-polimeráz enzim a DNS génszekvencia kezdetéhez (más néven promóterszekvenciához) kötődik;
• Az RNS-polimeráz kitekeri a DNS kettős spirál egy kis részét, hogy az egyszálúvá váljon (ezt a folyamatot gyakran a cipzár feloldásához hasonlóan írják le) – a kitekert egyszálú DNS kis területét transzkripciós buboréknak nevezik (VanPutte et al, 2017);
• A feltárt DNS-szálak közül csak az egyik tartalmaz hasznos információt egy fehérje felépítéséhez – ezt a szálat használják templátként az átíráshoz;
• Az RNS-polimeráz a transzkripciós bázispárosítási szabályok alapján szintetizálja a komplementer mRNS-szálat.

A 3. doboz egy példát mutat a transzkripcióra.

Post-transzkripciós módosítások

Nem minden, az mRNS-szálakban kódolt információ hasznos egy fehérje felépítéséhez. Egy újonnan átírt RNS-szál két elemből áll:

• Exonok – az aminosavak helyes sorrendjét tartalmazó fehérje felépítéséhez nélkülözhetetlen információkat tartalmazó szekvenciák;
• Intonok – az exonokat kódoló szekvenciákat megszakító szekvenciák, amelyek általában nem tartalmaznak hasznos információt a fehérje felépítéséhez. Az intronokat egykor szemét szekvenciáknak tekintették, de ma már úgy gondolják, hogy szerepet játszanak a génexpresszió szabályozásában (Chorev és Carmel, 2012).

Az intronokat ki kell vágni, az exonokat pedig össze kell splicelni, hogy egy összefüggő, “nagy hűségű” mRNS-szekvenciát alkossanak: ezt a vágást és splicelést – amelyet poszttranszkripcionális módosításnak neveznek – a sejtmagban lévő enzimek végzik. A folyamatot a 2. ábra mutatja.

A genetikai kód természete

A genetikai kód három nitrogénbázisból álló triplett, amely egy aminosavat kódol. Mivel a természetben 20 aminosav létezik, a három bázis lehetővé teszi, hogy minden egyes aminosavat egy tripla kód képviseljen (és néhányat többször is). A triplettkód lehetővé teszi azt is, hogy az mRNS-szálba “start-and-stop” utasításokat kódoljanak, így a riboszómák tudják, mikor kell elkezdeni és mikor kell befejezni a fehérje felépítését.

Az mRNS-szálon minden egyes három bázisból álló sorozatot (triplettkód) kodonnak nevezünk. Az első kodon bármely mRNS-szálon mindig a “start” kodon – az úgynevezett AUG -, amely a riboszómát a fehérjeszintézis megkezdésére utasítja. Mivel az AUG a metionin aminosavat is kódolja, a metionin az első aminosav, amely beépül a fehérjébe – ha valójában nincs rá szükség, később eltávolítják (Xiao et al, 2010).

Magukat az aminosavakat a transzfer RNS (tRNS) molekulák szállítják a riboszómákhoz. Minden egyes aminosavnak egy egyedi tRNS-molekula felel meg, és minden tRNS-molekulának saját egyedi tripletkódja van, amely az mRNS-szál egy kodonjának felel meg. Ezek a tRNS-szekvenciák kiegészítik az mRNS-kódonokat, ezért antikódonoknak nevezik őket (VanPutte et al, 2017).

Transzláció

A transzkripció és a poszt-transzkripciós módosítás után egy érett, megszakítás nélküli mRNS-szekvencia jön létre. A citoplazmába jutva ez a szekvencia egy riboszómához kötődik, majd a transzlációnak nevezett folyamat során fehérjeszintézisre használható.

A DNS-transzláció (3. ábra) egy sor lépésből áll:

• Az érett mRNS szála a riboszómához kapcsolódik;
• A riboszómán az mRNS szál három bázisa (kodon) – például az AUG (a “start” kodon, amely a metionint is kódolja) – exponálódik;
• A tRNS-molekula megérkezik a riboszómához, antikodonját az mRNS-szálon lévő kodonhoz igazítja, és a megfelelő aminosavat szállítja – például az AUG “start” kodon esetében a megfelelő UAC antikodon metionint szállít;
• Az mRNS-szál a riboszóma mentén három bázissal halad tovább, feltárva a következő kodont, majd megérkezik a következő tRNS-molekula a komplementer antikodonjával, és újabb aminosavat szállít;
• Peptidkötések alakulnak ki az egyes szomszédos aminosavak között, és egy fehérjelánc kezd kialakulni;
• Az mRNS-szál tovább halad a riboszóma mentén egyszerre három bázissal, sorban feltárva minden kodont. A megfelelő antikodonokkal rendelkező tRNS-molekulák tovább szállítják az aminosavakat, a peptidkötések tovább képződnek, és a fehérjelánc tovább hosszabbodik;
• Az mRNS-szál végén végül elérünk egy “stop” kodont (UAA, UAG vagy UGA), és a fehérjeszintézis leáll – a DNS-transzláció folyamata egy nyers fehérjét hozott létre.

Post-transzlációs módosítások

A nyers fehérjét általában módosítani kell, mielőtt az felveheti végleges 3D konfigurációját, és elkezdheti betölteni funkcióját a szervezetben. Ezek a módosítások a citoplazmában, a Golgi-apparátusnak (más néven Golgi-test vagy egyszerűen Golgi) nevezett organellumban történnek, amelyet gyakran a sejt “csomagoló- és exportterületeként” írnak le.

A fehérjék a következőképpen mennek keresztül poszttranszlációs módosításokon:

• A fehérje nyers változata egy kis membránhoz kötött zsákba, a transzfer vezikulába csomagolódik;
• A transzfer vezikula elhagyja a durva ER-t és a Golgi-apparátusba vándorol;
• A Golgi-apparátusban a nyers fehérjét finomítják, ami gyakran az aminosavak láncához cukormaradékok hozzáadását jelenti glikoziláció útján (Huang és Wang, 2017) – az emberi szervezetben sok fehérje valójában glikoprotein (hozzáadott cukrot tartalmazó fehérje);
• A finomított fehérje elhagyja a Golgi-készüléket, és vagy felhasználásra kerül a sejtben, vagy egy szekréciós vezikulába csomagolva exportálásra kerül;
• Az exportálásra szánt fehérjék kiürülnek a sejtből, amikor a szekréciós vezikulájuk összeolvad a plazmamembránnal.

Az exportált fehérjéket vagy helyben felhasználják egy szövetben, vagy a vérrel a szervezet távoli régióiba szállítják. Például a hasnyálmirigy béta-sejtjeiben szintetizált inzulin hormon a vércukorszint emelkedésekor közvetlenül a keringésbe kerül. Ezután kémiai hírvivőként számos emberi sejt receptoraihoz (amelyek maguk is fehérjék) kötődve arra utasítja őket, hogy vegyenek fel glükózt, ezáltal normalizálva a vér glükózkoncentrációját.

Mutációk

A helyes működéshez a fehérjéknek az aminosavak megfelelő sorrendjével kell rendelkezniük, ami végső soron a genetikai kód változatlanságán múlik. Az emberi genomban azonban olyan sok nukleotidbázis található (körülbelül hárommilliárd bázispár), hogy hibák óhatatlanul előfordulnak. Az ilyen hibákat mutációknak nevezzük, és olyan fehérjék előállításához vezethetnek, amelyek nem feltétlenül működnek megfelelően. A rendellenes fehérjék számos betegséggel, többek között az autoimmun betegségek és a rosszindulatú daganatok egyes formáival hozhatók összefüggésbe.

A genetikai mutációk véletlenszerűen is kialakulhatnak a DNS-replikáció hibáit követően (e sorozat 1. részében leírtak szerint), különösen a szervezet öregedésével; vagy pedig olyan környezeti tényezők is okozhatják őket, amelyek közvetlenül károsítják a DNS-molekulákat. Bármit, ami károsíthatja a DNS-t és mutációhoz vezethet, mutagénnek nevezünk (VanPutte et al, 2017). Sok genetikai mutáció a DNS olyan szakaszaiban fordul elő, amelyek nem kódolnak fehérjéket (például a nem kódoló intronokban), így általában kevés hatással vannak a fiziológiai funkcióra.

A DNS-t károsító és ezáltal a mutáció kockázatát növelő ismert tényezők közé tartoznak:

• A növekvő életkor;
• Szennyező anyagok;
• Fertőzések – különösen a vírusfertőzések, mivel a vírusok gyakran beépítik génjeiket az emberi DNS-be, potenciálisan megszakítva a génszakaszokat;
• Sugárzások – például a nap ultraibolya (UV) fénye vagy az orvosi képalkotásból származó röntgensugarak.

A napból származó UV-fény (különösen az UVB) közismerten károsítja a bőrsejtek DNS-ét. Ha mutáció következik be a sejtosztódást szabályozó kontrollgénekben vagy a DNS-javító enzimeket kódoló génekben, az eredmény ellenőrizetlen sejtosztódás és bőrrák lehet (Hopkins, 2015). Bár a napfénynek kitett emberi bőr saját természetes UV-védelmet termel melanin (a bőrt barnító sötét pigment) formájában, az ózonréteg kimerülése és a napon töltött túlzott idő káros UV-sugárzási dózisokhoz vezethet, amelyek növelik a bőrrák kockázatát. A napvédő krémek jobb UV-védelmet nyújtanak, és bizonyítottan jelentősen csökkentik az UV-sugárzás okozta bőrkárosodást és a bőrrákot (Green és Williams, 2007).

A mutációk, mint amilyeneket az UV-sugárzás okoz a bőr DNS-ben, általában nem öröklődnek generációkon keresztül. Amikor azonban a mutációk a herék és a petefészkek csírasejtjeit érintik, azok öröklődhetnek az utódokra. Több mint 100 000 mutációról számoltak be az emberi ivarsejtekben, amelyek közül sok a gyakori örökletes genetikai betegségekkel hozható összefüggésbe (Vipond, 2013; Cooper et al, 2010). Ezek közül néhányat e sorozat negyedik és egyben utolsó cikkében vizsgálunk meg.