Körülbelül 360 millió évvel ezelőtt halakból kifejlődött elődeink a vízből a szárazföldre költöztek. Ezen folyamat során uszonyaik lábujjakkal ellátott lábakká alakultak. Több száz millió évvel később az elülső pár uszonyból aztán kifejlődtek a kezek. Hogy megértsék ezt az alapvető fontosságú evolúciós átalakulást, a szakértők évtizedekig tanulmányozták végtagszerű uszonyokkal rendelkező, mára kihalt halak fosszíliáit. Emellett összehasonlították a mai halak és szárazföldi gerincesek embrióit, hogy megértsék, hogyan fejlődnek az uszonyok és a végtagok.

Egy ideje azonban a CRISPR néven ismert precíz DNS-szerkesztő technológia azt is lehetővé teszi a kutatók számára, hogy molekuláris részletességgel rekonstruálják ezt az ősi evolúciós folyamatot. Így derült ki, hogy a kezek és a lábak nem új gének új funkcióinak eredményei voltak, hanem inkább az történt, hogy a természetes szelekció révén ősi testrészek régi genetikai receptjeinek darabjai új kombinációkba álltak össze.

„Ez sokkal könnyebb, mintha mindent a nulláról kellene felépíteni” – mondta Aurélie Hintermann, a kansasi Stowers Institute for Medical Research posztdoktori kutatója. Hintermann és kollégái nemrégiben sikerrel igazolták, hogy ezek a darabok mennyire régiek: a kezek felépítésének genetikai háttere részben a nemi szervek ősi receptjéből származik.

Kulcs a zárban

Hintermann és kollégái a fejlődő embriók génjeinek aktivitását követve végezték kutatásukat. Az embrió egy megtermékenyített petesejtként kezdődik, egyetlen génkészlettel, ez aztán új sejtekre osztódik, amelyek mindegyike ugyanazokat a géneket örökli. De közben a sejtek különböző minták szerint kapcsolják be és ki ezeket a géneket, lehetővé téve, hogy specifikus szövetekké és szervekké alakuljanak. A sejtek molekulákat is kibocsátanak, amelyek a szomszédos sejteket arra késztetik, hogy megváltoztassák saját genetikai „ritmusukat”.

Sok génnek több kulcsra van szüksége a zár kinyitásához, mielőtt aktívvá válhatna. A kutatók azonosítottak néhány olyan zárat, amelyek lehetővé teszik az emberi és más fajok embrióinál a végtagok növekedését. 2011-ben Denis Duboule, a Genfi Egyetem biológusa és kollégái felfedeztek hat molekuláris zárat, amelyek egymás mellett helyezkednek el egy 5DOM nevű DNS-szakaszon. Amikor a 5DOM-ot kivágták egy egér embrionális DNS-éből, az embrió lábakat növesztett ugyan, de nem nőtt ki a lábfeje.

Duboule és kollégái elgondolkodtak azon, hogyan alakult ki ez a fontos zárrendszer. Akkor keletkezett, amikor őseink először a szárazföldre jöttek és végtagokat növesztettek? Vagy már korábban is létezett, uszonyos őseinknél? A kérdés megválaszolásához Christopher Bolt, aki akkor Duboule laboratóriumában végezte posztgraduális tanulmányait, átvizsgálta a zebradánió genomját. És felfedezte, hogy ez is rendelkezik 5DOM-szakasszal.

A zebradániók és az emlősök utolsó közös őse több mint 400 millió évvel ezelőtt létezett. A genfi csapat felfedezése arra utalt, hogy ez az ős már rendelkezett az 5DOM-genomszakasszal. És ha ez a zebradániókban még mindig megvan, akkor biztosan valamilyen szerepet töltött be ezekben is. „Nem lehet véletlen, hogy ott van” – mondja Hintermann.

Régi-ujj evolúció

Hintermann, aki a genfi laboratóriumban dolgozva vette át a projektet, CRISPR segítségével olyan zebradánió-embriókat nevelt, amelyekből eltávolította a 5DOM zárakat. Ha a zárak fontosak a halak uszonyainak fejlődésében, akkor azok eltávolítása felfedhette, hogy hogyan. Meglepetésére a 5DOM eltávolítása alig volt hatással a fejlődő uszonyokra. Megzavarta viszont a zebradániók farkának alján található régió fejlődését, ahol két nyílás található: a végbélnyílás, valamint a hólyag és a nemi szervek nyílása.

Ez a meglepetésszerű felfedezés arra késztette a kutatókat, hogy alaposabban megvizsgálják ugyanazt a régiót egérembriókban is. Itt egy második meglepetés várt rájuk: a 5DOM az emlősökben is hatással van az ezt a adott régiót felépítő génekre. Ezek és más kísérletek alapján a kutatók új hipotézist állítottak fel az ujjak és a lábujjak evolúciójáról. A történet félmilliárd évvel ezelőtt kezdődik, a legkorábbi, legegyszerűbb halakkal. Ezek nem volt többek, mint egy hosszú, szalagszerű testhez kapcsolódó fejnél, csak lenyelték az ételt, amely áthaladt a hosszú emésztőrendszeren, majd a salakanyagok a végbélnyíláson keresztül távoztak. Egy másik közeli testnyílás pedig a nemzésre és a vizeletürítéshez szolgált.

Ezeknek a protohalaknak az embriói különböző géneket aktiváltak a testük különböző részeinek megformálásához. A végső szakaszban a 5DOM aktiválta a végbélnyílás, valamint a húgycső és a nemi szervek nyílásának génjeit.

Viszont körülbelül 360 millió évvel ezelőtt, a 5DOM evolúciós változáson ment keresztül, mondják a kutatók. Immár nemcsak alfelünk, hanem ujjaink és lábujjaink kialakulását is vezérli.

M. Brent Hawkins, a Harvard evolúciós biológusa, szintén a tanulmány szerzője, a 5DOM újrahasznosítását a zenészek által újrahasznosított dallamokhoz hasonlította. „Olyan, mintha Jay-Z régi showdalokból merítene ihletet, és részleteket venne át az It’s the Hard Knock Life című dalból” – mondta.

A kezek és a test alsó felén levő testnyílások között látszólag kevés a közös vonás, de vannak köztük fontos hasonlóságok. A legfontosabb, hogy végső soron mindegyik „végtag”, extremitás, vagyis a test határán megjelenő szerv.

Ugyanakkor, ahogy Neil Shubin, a Chicagói Egyetem evolúciós biológusa és az eredményekről beszámoló tanulmány másik szerzője mondja, a pontos evolúciós változások, amelyek a 5DOM-szakasznak új feladatot adtak, továbbra is rejtélyek maradnak: „Az egész minket is váratlanul ért. Bőven van még mit tanulnunk, hogy feltárjuk, hogyan történt mindez.”