Előbb férfi, aztán nő? - A halak ivarmeghatározása ezt is engedi

Az impakták legújabb adásában Orbán Lászlóval beszélgetünk, aki két évtizedes szingapúri tartózkodás után az idei év elején költözött haza, hogy munkáját Keszthelyen, a Pannon Egyetem Gerogikon Karán folytassa. Fő kutatási területe a halak ivarmeghatározási mechanizmusainak feltárása, ez adta beszélgetésünk apropóját is.


A legtöbb állatfaj esetében megfigyelhető, hogy a hím és nőstény egyedek aránya nagyjából 1:1. Hogy ez miért alakult pont így, az messze nem annyira triviális, mint gondolnánk. Az 1930-as évekre datálható Fisher-hipotézis szerint ez az arány biztosítja legjobban az adott fajnak a fennmaradását. Ugyan adott egyedek, vagy családok esetében kialakulhatnak olyan helyzetek, hogy ez az arány megbillen (vagyis nem egyenlő arányban jönnek létre hím és nőstény utódok), de fajok és populációk szintjén ennek az aránynak a megléte elég egyértelműnek tűnik. Mindez egy valamennyire szabályozott folyamat, így, ha eltolódna a populációk ivararánya valamilyen okból, beindulnak olyan folyamatok, amelyek megpróbálják az 1:1 arányt visszaállítani.

Például tételezzük fel, hogy megjelenik egy olyan génváltozat (allél), amely hatására több női utód jön létre és ez az allél elterjed a populációban, akkor pár generáción belül általában is több nőstény lenne a populációban, mint hím. De mivel ivaros szaporodáshoz hímekre és nőstényekre is szükség van, ha kevesebb hím van, akkor ők könnyebben találnak párt, így elterjedhetnek a hím-ivar kialakulását segítő allélok, vagyis (evolúciós szemszögből) kifizetődőbb lesz a „kisebbséghez” tartozni és az egyensúly visszabillen. Egy érdekes példa itt, hogy az emberi populációkban, ahol normális körülmények között szintén 1:1 az ivarok aránya, mind a két világháború után egy óriási csúcs jelent meg a fiú utódok számában, hiszen a harcokban első sorban férfiak halnak meg. Mind a mai napig nincs erre egy jó magyarázat, hogy miért, de jól látható az adatokban. 

Németországban a világháborúk után megfigyelhető, hogy eltolódik az újszülöttek nemének aránya.Forrás: Universitat Magdeburg

Hogy milyen genetikai és környezeti faktorok biztosíthatják ennek az 1:1 aránynak a fennmaradását, az komplex és érdekes kérdés, mert úgy tűnik a természetben számos eredményes megoldás létezik.

A legtöbbet a gerincesek ivarmeghatározásáról tudunk és ezen belül is természetesen az emlősökről, illetve az emberről a leggazdagabbak az információink. Az ember, illetve általánosabban, az emlősök esetében már a fejlődés legelső pillanatától tudható, hogy egy hím, vagy egy női utód fog fejlődni. Itt létezik egy elsődleges „kapcsoló”, amelynek köszönhetően nagyon kiszámítható az ivarmeghatározás folyamata. Ez az SRY gén, ami egérnél például a megtermékenyítés után 11.5 nappal fog aktiválódni és azokban az egyedekben, ahol ez megtörténik, elindul a hím ivarszervek, illetve a hím ivar kialakulása.

Az SRY egyébként egy kivételezett kromoszómán, a közismert Y kromoszómán található, ami egy tipikus ivari kromoszóma, hiszen jelenléte (itt nem részletezett, borzasztóan ritka kivételektől eltekintve) teljesen determinisztikus a kialakuló - hím – nemi jellegre vonatkozólag. (Az ivari kromoszómák egyébként, kis leegyszerűsítéssel, olyan kromoszómák, amelyekre az evolúció folyamán koncentrálódtak azok a gének, amelyek az ivari meghatározás folyamatában fontosak).

Az Y kromoszóma jelenléte természetesen azt is jelenti, hogy „XY” logikájú szexdeterminációs rendszerrel állunk szemben. Sok fajban működik ez a rendszer nem is mindig egymásnak megfeleltethető kromoszómák töltik be az „X” és az „Y” szerepet, de a logika közös: az X és Y kromoszómákat hordozó (ún. „heterogamétás” egyedek), egyedek hímek lesznek, míg a két „X” kromoszómával rendelkező egyedek nőstények. De a madarak, vagy egyes hüllők esetében ez a logika fejre áll, itt „ZW” rendszerekről beszélünk. Itt a női ivarú egyedek lesznek a heterogamétásak (hordoznak Z és W kromoszómákat), a hímek pedig két Z kromoszómát örökölnek.

Az emberek esetében a jól ismert XY rendszer határozza meg az utód nemét. Madarakban ellenben a tükör-logika alapján működő ZW rendszer érhető tetten.Forrás: Learn.Genetics

Hosszú ideig nem lehetett tudni, hogy a madaraknál is egyetlen, a W-n levő „kapcsoló” dönti-e el, hogy kiből lesz nőstény, vagy egy „dózis-függésen” alapuló rendszer dönt. Utóbbi esetben a mechanizmus kulcs-génje a Z kromoszómán lenne és a ZZ genotípusú hímekben kétszer annyi termelődik, mint a nőstényekben. A legújabb eredmények szerint ez az a folyamat, ami a madaraknál tetten érhető és a DMRT1 nevű gén dózisa lesz a meghatározó.

Az emlős és madár rendszerek logikájukban különböznek, ugyanakkor nagyon hasonló folyamatokról van szó, hiszen a döntés megszületése után csak ez egyik fejlődési folyamat fut majd végig. Ez egy érdekes különbség az ősi gerincesekhez képest, hiszen például a halakban nem gond, ha a két nemi determinációs folyamat ideig-óráig párhuzamosan zajlik.

A genetikai determinációs rendszerek mellett persze léteznek még a környezeti hatásokon alapuló szex-determinációs rendszerek, amelyek a klímaváltozás üteme miatt az érintett fajokban súlyos gondokat okozhatnak. A hüllőknek van olyan csoportja, pl. a kígyók, ahol ZW-alapú determináció működik, de más csoportokban, így a krokodilok, vagy teknősök esetében, hőmérséklet-alapú determináció működik. Itt pontosan kimérhető, hogy adott hőmérsékleten milyen ivar fejlődik ki. Létezett olyan elmélet is, amely szerint ennek a jelenségnek a dinoszauruszok kihalásához is köze volt, hiszen a meteor-becsapódás miatt, megváltozott a környezetük hőmérséklete, így egyivarú utódok születtek. És persze elvileg ezeknek a rendszereknek is megvan a lehetősége, hogy korrigáljanak, visszaálljon az 1:1 arány, csak egy olyan gyors és ennyire drámai változás esetében, mint napjainkban tapasztalható, ellenhatni borzasztóan nehéz.

A halak esetében mindenféle eddig említett szex-determináció logika jelen van, ami persze nem is csoda, hiszen egy óriási csoportról van szó, a gerinces fajok fele hal (összesen kb. 34 ezer hal fajról tudunk). Az persze önmagában is érdekes, hogy miért ennyire fajgazdag csoport. Erre az 1990-es években John Postlethwaith és munkatársai adták meg a választ, akik először írták le, hogy a csontoshalak genomjában a gerincesekre általános jellemző genomkettőződéseken túl egy, csak erre a csoportra jellemző, extra duplikáció is lezajlott. Márpedig egy-egy ilyen genomkettőződés lehetőséget ad az evolúciós újításra, hiszen a duplikált gének egy-egy kópiája felszabadul az addigi szelekciós nyomás alól, szabadabban változhat (vagy akár el is veszhet) és ennek köszönhetően új funkciók és új jellegek alakulhatnak ki. Ezt a szakzsargon neofunkcionalizációnak nevezi és ennek köszönhetően alakulhatott ki az a változatosság, amit ma is megfigyelhetünk.

Az emlősök és madarak esetében a csoportok összes tagja ugyanolyan logikát használ. Ehhez képest a halak szex determinációja üdítően sokszínű. Forrás: PLOS Biology

Ez a változatosság a külalakban is megfigyelhető, de a nemi determinációs folyamatokban is. Sőt, halakban nem csak mindaz figyelhető meg, ami a többi gerincesben ismert, hanem gyakran több különböző folyamat egymásra épül, ami miatt nem is olyan egyszerű a halak ivarát tanulmányozni. Ha valaki érti az embernek a determinációját, az érteni fogja minden más emlősben is a folyamatot. A halaknál még az sem biztos, hogy ha egy fajét megértjük, akkor a közeli rokon fajok esetében érteni fogjuk.

Bár az elmúlt évtizedben óriási fejlődésen ment át a terület, igazából talán még egyetlen hal sincs, aminek annyira értenénk a nemi determinációját, mint az emlősöknek. Körülbelül 20-25 halfaj esetében ismerjük a rendszer elsődleges kapcsolóit, de azért ekkora ez a szám, mert például a lazacfélék esetében közel tucatnyi faj esetében figyelhető meg hasonló rendszer. Itt egy genomduplikáció során keletkezett, majd némileg módosult, korábban elsődlegesen immunszerepet játszó gén az, ami bekapcsolja a rendszert. Az összes többi fajnál gyakorlatilag egyedi mechanizmusok működnek.

A japán rizsföldeken élő medaka esetében egy XY-logikájú rendszer figyelhető meg, ahol a korábban már említett DMRT1 génnek az Y kromoszómára sodródott változata az elsődleges kapcsoló. A brazil pejerrey esetében az ún. anti-Mülleriánus hormon (ami emlősökben is részt vész a nemi determináció folyamatában) egyik duplikátuma, szintén az Y kromoszómára kerülve játszik kulcsszerepet.

Azoknak a rendszereknek a többsége, amiket viszonylag jól ismerünk, mind ivari-kromoszómával működnek, mert ezeket könnyű megérteni. A többi rendszer, ahol bonyolultabb mechanizmusok állnak a háttérben, nehezebben megfejthető és ide tartozik a zebradánió is.

Zebrahalak esetében a fejlődő állat nemét az fogja meghatározni, hogy az ősivarsejtek mekkora aránya marad életben a fejlődés során: hímekben ezek jelentős része elpusztul programozott sejthalállal (apoptózissal), míg nőstényekben ez a folyamat gátolva van.Forrás: Brief Funct Genomics

Egy szerencsés véletlennek köszönhetően 40-45 évvel ezelőtt a magyar származású George Streisinger ezt a fajt választotta ki, hogy az alapkutatások egy modellállatát hozza létre. Ezt a törekvést teljes siker koronázta és mára a zebradánió valóban rengeteg biológiai tudományterület sikeres modellévé vált és mégis a közelmúltig senki nem értette, hogy miképp szabályozódik itt a nemek kialakulása. Még 20 évvel ezelőtt is igen megosztó kérdés volt ez, hiszen sokan meg voltak róla győződve, hogy hőmérséklet-függő, mások pedig a genetikai-alapú folyamatra esküdtek, de itt is egyesek ivari-kromoszómás rendszert véltek felfedezni, mások pedig nem.

Ezen a ponton kapcsolódott be Orbán Lászlóék csoportja is ennek a kérdésnek a vizsgálatába és 15 év kellett ahhoz, hogy nagyjából világossá váljon, hogy mi is történik a zebradánió esetében. Az látható, hogy a vadon élő zebradániók esetében valóban egy genetikai-alapú, ZW rendszer működik, de a modellállattá való alakítás folyamán, a laboratóriumban tenyésztett halakból rendre elveszett a W kromoszóma és helyette egy sok gén interakcióján alapuló, poligénes ivarmeghatározás jön létre. Azt még mindig nem tudjuk, hogy ebben a rendszerben mi az elsődleges kapcsoló, vagy kapcsolók. Annyi biztos, hogy genetikai meghatározáson alapul szex-determináció ebben a fajban is, hiszen ha több különböző szülőpárt újból és újból keresztezek, változtatva a környezeti körülményeket nagyjából ugyanazokat az ivararányokat kapjuk. Nem feltétlenül 1:1 arányt, adott esetben drasztikusan eltérőt, de ugyanaz a pár az ismétlésekben hasonló arányokat produkál. 

Bohóchalak esetében, ha a nagytestű nőstény elpusztul, akkor a legnagyobb testű hímből lesz adott területen az új, domináns nőstény és a korábban nem differenciálódott kis halak egyike hímmé avanzsál. (Magyarán,  ha tudományosan korrekt lenne a "Nemo nyomában", Pizsiből nőstény vált volna, aki Nemóval párosodik. De abból aligha lett volna Disney rajzfilm...)Forrás: The Fisheries Blog

Számos olyan halfaj is létezik, ahol a kezdeti nem-meghatározás később felülíródhat, magyarán meg tudják változtatni a nemüket az életük során. Ez egy nagyon nagy különbség például a halak és az emlősök között, hiszen utóbbiakban még kísérletes eszközökkel is borzasztó nehéz billenteni ezen a státuszon (bár részleges sikerek lehetnek, lásd alább).

Jó példa erre az ázsiai tengeri sügér, ami egy protandriás szekvenciális hermafrodita, azaz az élete során előbb hímként fejlődik, majd később nősténnyé változhat. (Ugyanilyenek a bohóchalak is egyébként.) Hogy mitől indul be az a folyamat, amelynek eredményeként 2-3 hónap alatt átalakulnak, mindmáig rejtély. Úgy tűnik, hogy méret-függő, de látunk olyan egyedeket is, amelyek szinte átrohannak a kezdeti hím-életfázison. (Vannak olyan fajok is, amelyek először nőstények lesznek, majd később alakulnak hímmé, ilyen a BBC Blue Planet 2 sorozatában bemutatott japán kobudai.) Maga az átalakulási folyamat lenyűgöző, hiszen a hím és a nőstény ivarszerv, kb. annyira hasonlít egymásra, mint bennünk a tüdő és az agy, és sajnos részleteiben nem nagyon értjük, mi történik ilyenkorr.

Az elmúlt évek egyik nagyon sok port felkavaró felfedezése volt, hogy emlősöknél, egész különleges kísérletes esetekben el tud indulni egy hasonló folyamat. Például, ha a már korábban emlegetett, a kezdeti nem-meghatározásban kulcsszereplő Dmrt1 gént felnőtt egerekben kikapcsoljuk, azt tapasztaljuk, hogy a hím ivarszerv sejtjeiben a nőstény ivarszervre jellemző gének kapcsolnak be. (Női oldalon ugyanezt a szerepet a Foxl2 nevű gén tölti be, ennek a kikapcsolása az ellentétes folyamatot katalizálja.) Ami azt mutatja, hogy az identitást kialakító géneknek nem csak a nem-meghatározásban van szerepe, de abban is, hogy az adott ivar fennmaradjon. 

Kifejlett emlősökben is létezik egy antagonizmus a hím és a női ivarszerv között. A herében aktív Sox9 (és Dmrt1) kikapcsolva tartja a petefészekre jellemző Foxl2-t, nőstényekben pedig pont fordítva.Forrás: The Visible Embryo

Ezek alapján talán még az is kijelenthető, hogy a sügérek és más szekvenciális hermafroditák esetében tapasztalt folyamat egy ősi gerinces tulajdonság, amit sok csoportban ma már mindenféle kapcsolók „eltakarnak”, de megfelelő körülmények között, azért tettenérhető. Persze a sok millió éves eltérő evolúciónak köszönhetően emlősökben, ha el is indulnak az ilyen átalakulási folyamatok, nem mennek végig, nem keletkezik egy működő ellentétes nemű ivarszerv.

A podcastet Nádori Gergely (Tanárblog) és Varga Máté (CriticalBiomass) készíti. A nyitókép az ásatás során feltárt középkori temető kőpakolásos sírjait mutatja, a fotót Kalla Gábor készítette. Köszönet jár a podcast elkészítéséhez nyújtott segítségért a 444 szerkesztőségének, különösen Sarkadi Zsoltnak, a FabLab Budapestnek, illetve a podcast szignálját készítő Tövisházi Ambrusnak. Ha támogatni akartok, vagy csak ötleteket, kommenteket küldeni, az impaktak_kukac_gmail.com-ra írjatok.

Népszerű
Uralkodj magadon!
Új kommentelési szabályok vannak 2016. január 21-től. Itt olvashatod el, hogy mik azok, és itt azt, hogy miért vezettük be őket.