A cím sugallata meglepő. A mendeli genetikában az általánosan elfogadott értelmezés szerint a csírasejt-stabilitás dogmája uralkodik az öröklődés, az életfolyamatok genetikai kontrollja, a fenotípus–genotípus összefüggés értelmezésében. A genetika, az öröklődés tudománya arra a szilárd meggyőződésre épül, hogy az ember életre szóló genetikai stabilitással rendelkezik. A genetikai meghatározottság, amit szüleinktől kapunk és utódainknak adunk át, egyedi identitást jelent minden ember számára. A molekuláris genetikai módszerekkel megismertük, hogy a veleszületett genetikai meghatározottság alapját az örökítő anyag bázissorrendje jelenti, ami a csíra-(vagy ivar)sejtekkel adódik át egyik generációból a másikba. A genom bázissorrendjének állandósága alapvető feltételezés a mendeli öröklődés szabályainak megértésében, és számos alkalmazott genetikai kutatás, így például a populációs genetika, evolúciós genetika, etnikai, származástani, igazságügyi stb. elemzések eredményeinek értelmezésében. Továbbmenve: az emberi genom állandósága alapvető feltételezés a klinikai genetikában is. Minden mutáció, azaz érdemi eltérés a feltételezett „normális” genomikai struktúrától következményekkel jár a fenotípusban. A csírasejt genomjának stabilitása tehát a mendeli genetika alapját jelenti – legalábbis a genetika transzgenerációs értelmezésében.

Egy közelmúltban megjelent munkában felvetettük (Kosztolányi – Cassiman, 2010), hogy a klinikai genetika fogalmának értelmezésében több szempontból jelentős előnnyel jár, ha a genetikai betegségekhez fejlődéstani nézőpontból közelítünk. Szemben a transzgenerációs szemponttól, fejlődéstani aspektusban a genetika azokat a folyamatokat foglalja magába, amelyek során a szülői ivarsejtek egyesülésével az új egyed első sejtjébe, a zigótába került genetikai állomány programja kibontakozik, megvalósul a magzati fejlődéstől kezdve a születést követő teljes életcikluson át az öregedésig. Attól függően, hogy transzgenerációs vagy fejlődéstani aspektusból értelmezzük, a genetika fogalma alá tartozó ismereteink több lényeges vonásban különbözőképp értelmezendők.

E munkában a genetikai stabilitás eltérő értelmezésére egy eddig elhanyagolt tényező, az idő fontosságának bemutatásán keresztül szeretném felhívni a figyelmet. Arra, hogy a genom struktúrájáról, bázissorrendjéről eddig szerzett ismereteink mellett a teljes életciklust átfogó fejlődésre és a betegségek kialakulására vonatkozó következtetéseink megfogalmazásában nélkülözhetetlen tényező kell legyen az időnek, a genetikai determináció negyedik dimenziójának figyelembevétele.

Az időnek a genetikai stabilitásban és a klinikai genetikában játszott szerepét a szomatikus mozaikosság és a génkifejeződés dinamikáján keresztül fogom tárgyalni.

Testi (szomatikus) mozaikosság

Általános gyakorlat, hogy a genetikai vizsgálatra vett humán biológiai minta (vér vagy bármilyen szövetféleség) sejtjeit úgy értelmezzük, hogy azok az egyén egész szervezetét reprezentálják: minden egyes sejt ugyanazt a genomot tartalmazza. Ha azonban a genetikát fejlődéstani szempontból értelmezzük, akkor nem hagyható figyelmen kívül az a tény, hogy a szervezet minden sejtje, a magzati fejlődéstől kezdve a teljes életcikluson át, az állandóan változó környezet folyamatos mutagén hatásainak van kitéve. Kezdetben kromoszómavizsgálatok igazolták, hogy a magzati élet korai időszakában, a zigótából induló osztódások során bekövetkező mutáció nem jár feltétlenül a sejt pusztulásával, hanem a mutáns sejt tovább élhet, osztódhat. Ennek következtében a szervezetben két vagy akár több sejtvonal is létezhet párhuzamosan. A csírasejt-vonal és mutáns sejtvonal(ak) szervezeten belüli együttlétét a mozaikosság fogalmával jelöljük. A mozaikos egyénben a mutációt hordozó sejtvonal aránya attól függ, hogy a magzati fejlődés mely időpontjában következett be a mutáció: minél korábban, annál nagyobb a kóros sejtvonal aránya. Előfordulhat az is, hogy egy már differenciálódott szerv sejtjében történik mutáció, ilyenkor szervre lokalizált lesz a mozaikosság. Ez azt is jelenti, hogy a klinikai genetikában csaknem kizárólagos vizsgálati mintaként szolgáló vérben talált vizsgálati lelet alapján nem zárható ki az egyén mozaikossága. Ismert, hogy a mozaikos sejtvonal az élet során eltűnhet, de az is, hogy új sejtvonal indulhat a születést követően, bármelyik életkorban. Általánosan elfogadott, hogy mutációk vezetnek a daganatok kialakulásához; genetikai értelemben voltaképp minden daganat szomatikus mozaikosság.

A molekuláris genetikai módszerek fejlődésével kiderült, hogy a szervezetben a kromoszómamutációkon kívül génszintű mutációból induló járulékos sejtvonalak is jelen lehetnek. A génszintű szomatikus mozaikosságot technikailag lényegesen nehezebb kimutatni, de megalapozott következtetésként megfogalmazódott, hogy a monogénes betegségek akár 6–20%-ában lehet a háttérben génszintű mozaikosság (Erickson, 2010). Vannak adatok arra vonatkozóan is, hogy a betegségokozó kromoszómális és génszintű mutációkon kívül mozaikos formát ölthetnek olyan genomvariánsok, polimorfizmusok is, amelyek az ún. gyakori, multifaktoriális vagy genomiális betegségek iránti hajlam meghatározásában játszanak szerepet (Maiti et al., 2011).

Mindenesetre egyre több a bizonyíték arra, hogy a legkülönbözőbb genomiális eltérések mutathatnak mozaikos formát (Biesecker – Spinner, 2013; Lupsky, 2013). Noha a bonyolult technikákat feltételező genomeltérések szöveti kimutathatósága a rutin klinikai diagnosztikában korlátozott – különösen akkor, ha a mozaikosság aránya alacsony –, az eddigi eredményekből kétségen kívül megállapítható, hogy a mozaikosság lényegesen gyakoribb, mint eddig gondoltuk (Acuna-Hidalgo et al. 2015). Ebből arra lehet következtetni, hogy egy egyén vizsgálatra került sejtjei (a klinikai gyakorlatban túlnyomó többségben vérsejtek) nem tekinthetők feltétel nélkül a szervezet egésze reprezentánsainak. Az élet során a genetikai állomány változik, s egy felnőtt egyén mintájából származó genetikai vizsgálati adat nem feltétlenül ugyanaz, mint volt több évtizeddel korábban.

Mindebből az következik, hogy a genom a szomatikus sejtekben lényegesen kevésbé stabil, mint az ivarsejtekben, továbbá, hogy a genom stabilitása fejlődéstani aspektusból, az egyén betegségekkel szembeni kockázatának szempontjából nem ugyanazt jelenti, mint transzgenerációs értelmezésben.

Dinamizmus a génkifejeződésben

A genetika fogalmának fejlődéstani értelmezésében fontos annak figyelembevétele, hogy a gének bázissorrendjét feltáró, eddig uralkodó módszerek nem adnak információt a gének működéséről, expressziójáról, holott az életfolyamatok genetikai vezérlése ezen keresztül valósul meg. A magzati fejlődés korai fázisaiban a multipotens őssejtek differenciált sejtekké és specifikus szövetekké köteleződnek el. Egy felnőtt szervezet minden sejtje ugyanazt a (szülői ivarsejtek egyesülésével kialakult) génállományt tartalmazza, ezért az egyes szervek specifikus működése csak úgy alakulhat ki, ha bizonyos gének szervspecifikus kifejeződési mintázatot nyernek. A szöveti, sejtszintű differenciálódás voltaképp gének kifejeződésének egy feszes időrend szerint zajló folyamata: a posztzigótikus osztódás során bizonyos gének inaktiválódnak, mások viszont aktiválódnak.

A magzati fejlődés mellett a génaktivitás időszakos változása bizonyosan folyik a születést követő időszakban is, amikor a sejtek „kénytelenek” reagálni a változó környezetre. A génexpresszió környezetfüggő módosulásainak részleteire a közelmúlt epigenetikai kutatásai vetnek fényt (Chechik – Koller, 2009). Az epigenetikai történések képesek biztosítani a génkifejeződés rugalmasságát, reverzibilitását. Az epigenetikai ismeretek bővülése az életfolyamatok genetikai vezérlésének gondolatrendszerében új szemléletet hozott (Kosztolányi, 2011; Oh et al., 2014).

Növényi sejteken tett megfigyelések igazolták a gének kifejeződésének nagyfokú dinamizmusát: fényre és hőmérsékletre jelentős átprogramozódás mutatható ki a génexpresz-szióban (Deal – Henikoff, 2010). Emlőssejtekben lévő gének expressziójának időbeliségéről azonban még nagyon keveset tudunk. A tanulmányok a sejtek szabályozási folyamatairól csupán egy-egy idősíkban adnak képet, holott különböző időpontokban, eltérő körülmények közt mért sorozatadatokra lenne szükség, ami meglehetősen bonyolult. Azért a közelmúlt néhány megfigyelése már demonstrálta, hogy a környezeti hatásokra reagáló sejtválaszban a génkifejeződés időbeli változása fontos szerepet játszik (Featherstone et al., 2011). Kimutatható egyes gének másodpercnyi, többórás, diurnális pulzációja (Voss – Hager, 2013). Jelentős dinamikus változásokat mutatott ki a génaktivitásban az a vizsgálat, amely komplex genomikai módszerekkel egy egyén 14 hónapos időperiódusában elemezte a génaktivitást (Chen et al., 2012).

Alapvető új információkhoz vezettek a közelmúlt epigenetikai vizsgálatai, amelyek a nők egyik X-kromoszómájának inaktivációs folyamát elemezték

(Mengel-From et al., 2012). Az adatok arra utalnak, hogy az X-kromoszóma inaktivációja az eddig feltételezettől eltérően nem zárul le irreverzibilis állapottal a korai magzati életben, hanem módosulhat a születést követően, felnőtt korban is. Ez szerepet játszhat bizonyos betegségek nemtől függő vagy egypetéjű női ikrek tagjai közti eltérő megnyilvánulásában.

A genetika fogalmának fejlődéstani aspektusa értelmében az életfolyamatokat vezérlő gének időben változó aktivitása, a génkifejeződés dinamizmusa fontos szerepet játszik nemcsak az egyedfejlődésben, hanem minden bizonnyal betegségek kialakulásában is, különösen az úgynevezett multifaktoriális, gyakori betegségek előidézésében, amelyek hátterében genetikai fogékonyság és környezeti ártalmak együtthatása áll, s az epigenetikai módosításokhoz vezető, provokáló ártalmak az időben állandóan változó környezetből jönnek.

Várható, hogy a gének aktivitásának vizsgálata a közeljövőben klinikai hasznosításra kerül, kiegészítve a jelenlegi, a gének bázisszekvenciáján alapuló módszereket. A gének expressziójára irányuló vizsgálatok klinikai alkalmazása komoly kihívást jelent. Kérdés, hogy miként lehet vonatkoztatni egy egyén génexpressziós profiljából, egy-egy adott időpontban szerzett adatból az egyén egészségi állapotára, betegségkockázatára. Vajon összefüggésbe lehet-e majd hozni a génaktivitást a fenotípussal? Az ún. ENCODE-projekt, amelynek fő célja a gének aktivitására irányuló kutatások eredményeinek adatbázisba gyűjtése és integrált elemzése, bizonyára fontos megállapításokhoz fog vezetni a génszabályozás dinamizmusáról (ENCODE, 2012).

Az idő figyelembevétele
az etikai alapelvek értelmezésében

A genom életciklus alatti dinamikus változásának figyelembevétele nemcsak a kutatásban és a genetikai vizsgálatok klinikai alkalmazásában jelentős. A genetikával kapcsolatos etikai, jogi vezérfonalak, ajánlások, dokumentumok mindegyike arra az alapra épül, hogy a genetikai adatok nem változnak az élet során. A gyarapodó molekuláris genomikai ismeretek a genom összetételéről, illetve a génaktivitásról indokolttá teszik a kérdést: vajon ez az alap kellően szilárd-e? Nem lehet figyelmen kívül hagyni, hogy a genom teljes életciklusra terjedő stabilitása viszonylagos, s fontos jellemzője egy bizonyos mértékű plaszticitás. Ez azt jelenti, hogy minden genetikai vizsgálati eredmény, ami az egyén életének egy adott időpontjában egy bizonyos sejtmintából származik, nem feltétlenül azonos egy más időpontban más sejtmintájából készült eredménnyel. Vannak már adatok arra, hogy a különböző életkorokban vett mintákból végzett genomikai analíziseknek az egyén egészségére vonatkozó előrejelző értéke korlátozott, és csak individuális megközelítésben vehető figyelembe (Chen et al., 2012). Eline M. Bunnik és munkatársai (2013) egyenesen azt vetették fel, hogy a genetikai vizsgálatokat megelőzően az egyéntől kért tájékozott beleegyezést az eddigitől eltérő tartalommal kell alkalmazni (tiered-layered-staged model), és a tájékoztatás során fel kell hívni a figyelmet arra, hogy a genetikai teszt eredménye idővel változhat. Ez azt is jelenti, hogy a jelenlegi etikai ajánlások, dokumentumok, vezérfonalak, a biobankban több éven át őrzött mintákra vonatkozó etikai normák, amelyek az egyén különleges személyes adataként kezelik a genetikai teszt eredményét, újraértelmezést igényelnek (Knoppers et al., 2012).

Következtetések

Az emberi genom molekuláris technikákkal végzett vizsgálatai arra utalnak, hogy fejlődéstani aspektusból, azaz abban az értelemben, hogy a zigótában a megtermékenyüléskor kialakuló genetikai program miként manifesztálódik az egyén élete során, a genom kizárólagos stabilitása viszonylagos, és az idő függvényében változásokat mutat molekuláris, sejtes és szervezeti szinten egyaránt. Az idő szerepének figyelembevétele legalább két szempontból fontos. Először: az egyedfejlődésnek az az időpontja, amikor egy betegségokozó mutáció mozaikosság kialakulását eredményezi, jelentős mértékben meghatározza az egyén fenotípusát, rendellenesség, betegség kialakulását. Másodszor: a gének kifejeződése nem azonos az életciklus során, azaz a génaktivitás változik az idő függvényében, és függ az aktuális környezeti hatásoktól.

Az idő, amelynek függvényében szomatikus mozaikosság és génaktivitás-változás jön létre, az életfolyamatok genetikai vezérlésének eddig elhanyagolt, fontos változója, amelynek a klinikai genetika, az egészség és betegség kockázatának meghatározása, a személyre szabott medicina értelmezésében minden bizonnyal alapvető jelentősége lesz a jövőben. Az élő szervezetek rendszerszintű jellemzőinek értelmezésében – a biológiai redukcionizmus eddigi nézőpontjától eltérően – az eddiginél nagyobb figyelmet kell fordítani az idő függvényében értelmezhető dinamizmusra a cirkadián biológiai órán túl is (Hogenesch – Ueda, 2011). Tekintetbe kell venni kutatási stratégiák, kísérleti tervek készítésekor, az eredmények interpretálásakor, a klinikai diagnosztikus rutinvizsgálatok értelmezésében és az etikai megfontolásokban is, mivel a genetika életre szóló stabilitására vonatkozó eddigi nézeteink újraértékelendők.
 

Kulcsszavak: genetika és idő, genetikai stabilitás; szomatikus mozaikosság, a génexpresszió dinamizmusa
 

IRODALOM

Acuna-Hidalgo, Rocio – Bo, T. – Kwint, M. P. et al. (2015): Post-zygotic Point Mutations Are an Underrecognized Source of De Novo Genomic Variation. The American Journal of Human Genetics. 97, 1–8. DOI: • http://dx.doi.org/10.1016/j.ajhg.2015.05.008 • WEBCÍM

Biesecker, Leslie G. – Spinner, N. B. (2013): A Genomic View of Mosaicism and Human Disease. Nature Reviews Genetics. 14, 307–320. DOI: 10.1038/nrg3424

Bunnik, Eline M. – Janssens, A. C. – Schermer, M. H. (2013): A Tiered-layered-staged Model for Informed Consent in Personal Genome Testing. European Journal of Human Genetics. 21, 596–601.  doi:10.1038/ejhg.2012.237 • WEBCÍM

Chechik, Gal  – Koller, Daphne (2009): Timing of Gene Expression Responses to Environmental Changes. Journal of Computational Biology. 16, 279–290. doi:10.1089/cmb.2008.13TT.

Chen, Rui – Mias, G. I. – Li-Pook-Than, J. et al. (2012): Personal Omics Profiling Reveals Dynamic Molecular and Medical Phenotypes. Cell. 148, 1293–1307. DOI: 10.1016/j.cell.2012.02.009 • WEBCÍM

Deal, Roger B. – Henikoff, Steven (2010): Gene Regulation: A Chromatin Thermostat. Nature. 463, 887–888. doi:10.1038/463887a • WEBCÍM

ENCODE Project Consortium (2012): An Integrated Encyclopedia of DNA Elements in the Human Genome. Nature. 489, 57–74. DOI:10.1038/nature11247 • WEBCÍM

Erickson, Robert P. (2010): Somatic Gene Mutation and Human Disease Other than Cancer: An Update. Mutation Research. 705, 96–106  DOI: 10.1016/j.mrrev.2010.04.002

Featherstone, Karen – Harper, C. V. – McNamara, A. et al. (2011): Pulsatile Patterns of Pituitary Hormone Gene Expression Change during Development. Journal of Cell Science. 124, 3484–3491. doi: 10.1242/jcs.088500 • WEBCÍM

Hogenesch, John B. – Ueda, Hiroki R. (2011): Understanding Systems-level Properties: Timely Stories from the Study of Clocks. Nature Reviews Genetics. 12, 407–416. DOI:10.1038/nrg2972

Knoppers, Bartha M. – Dove, E. S. – Litton, J-E. – Nietfeld, J. J. (2010): Questioning the Limits of Genomic Privacy. The American Journal of Human Genetics. 91, 577–579. DOI: 10.1016/j.ajhg.2012.05.027 • WEBCÍM

Kosztolányi György – Cassiman, Jean-Jacques (2010): The Medical Geneticist as Expert in the Transgenerational and Developmental Aspects of Diseases. European Journal of Human Genetics. 18, 1075–1076 DOI:10.1038/ejhg.2010.100 • WEBCÍM

Kosztolányi György (2011): Hypothesis: Epigenetic Effects Will Require a Review of the Genetics of Child Development. Journal of Community Genetics. 2, 91–96. DOI: 10.1007/s12687-011-0044-2 • WEBCÍM

Lupski, James R. (2013): Genome Mosaicism – One Human, Multiple Genomes. Science. 341, 358–359.

Maiti, Sujit – Kumar, K. H. B. G. – Castellani, C. A. et al. (2011): Ontogenetic De Novo Copy Number Variations (CNVs) as a Source of Genetic Individuality: Studies on Two Families with MZ Twins for Schizophrenia. PLOS ONE. 6, e17125. DOI:10.1371/journal.pone.0017125 • WEBCÍM

Mengel-From, Jonas – Thinggaard, M. – Christiansen, L. et al. (2012): Skewed X Inactivation and Survival: a 13-year Follow-up Study of Elderly Twins and Singletons. European Journal of Human Genetics. 20, 361–364. DOI: 10.1038/ejhg.2011.215 • WEBCÍM  

Oh, Sunghee – Song, S. – Dasgupta, N. – Grabowski, G. (2014): The Analytical Landscape of Static and Temporal Dynamics in Transcriptome Data. Front Genet. 5/35; 20 Febr 2014. DOI:10.3389/fgene.2014. 00035 • WEBCÍM

Voss, T. C. – Hager, G. L. (2013): Dynamic Regulation of Transcriptional States by Chromatin and Transcription Factors. Nature Review Genetics. 17 Dec 2013. DOI:10.1038/nrg3623
 

LÁBJEGYZET

* A dolgozat a közelmúltban megjelent angol nyelvű cikk (Kosztolányi G.: It Is Time to Take Timing Seriously in Clinical Genetics. European Journal of Human Genetics. 24 December 2014. DOI:10.1038/ejhg.2014.271) átszerkesztett, magyar nyelvű változata. <