Az öröklődés törvényszerűségeinek felismerése az emberi szellem egyik csúcsteljesítménye. Mendel rájött: az utódok valamely genetikailag meghatározott tulajdonságát két öröklődési egység, faktor határozza meg. Az egyik az apától, a másik az anyától származik. Egyik kísérletében lila virágú borsónövények petesejtjeit fehér virágokról származó pollenekkel (hímivarsejtekkel) termékenyítette meg. A fehér és a lila borsók „házasságából” az első generációban csupa lila virágú borsó született: a lila tulajdonság dominált, a fehér pedig mintha eltűnt volna. Az utódnövények keresztezéséből képződött második generációban 3:1 arányban képződtek lila és fehér virágú növények. Nyilvánvaló, hogy a fehér tulajdonság nem tűnt el, csak lappangott az első generáció növényeiben, a második generációban ez a lappangó, recesszív tulajdonság megnyilvánult. A 3:1-es hasadási arányból kiindulva jött rá Mendel, hogy a borsóvirágok színét két faktor határozza meg: az egyik anyai, a másik apai eredetű.
Elvégezte az előző kísérlet fordítottját is: fehér virágú növények petesejtjeit lila virágúak pollenjével termékenyítette meg. Amint az előző kísérletben láttuk, az első generációban minden utódnövény lila virágú volt, a második generációban lila és fehér virágú növények lettek 3:1 arányban. Vagyis a lila, illetve fehér virágszín öröklődése nem függ a szülők nemétől. Azt, hogy az első generáció növényei valóban hordozzák a virág színét meghatározó faktor fehér változatát (az öröklődés egységeit ma géneknek, a génváltozatokat allélnak nevezzük), Mendel elegánsan bizonyította: az első generáció lila virágú növényeit fehér virágúakkal keresztezte. Az utódok között 1:1 arányban képződtek lila és fehér virágú növények.
Ma már tudjuk, hogy e megfigyelések általános érvényűek: az úgynevezett Mendel-szabályok nemcsak a borsóra, hanem jószerivel minden magasabb rendű élőlényre érvényesek. Sőt azt is tudjuk, hogy a Mendel-szabályok szerint öröklődő úgynevezett mendeli tulajdonságokat olyan gének határozzák meg, amelyek a sejtmagban vannak, és részei a kromoszómáknak, a kromoszómán belül a DNS kettős spirálnak.
Az 1920-as évek elején a kutatók azt tanulmányozták, miként öröklődik egy mocsári csigafaj (Lymnaea peregra) házának tekeredési iránya, és szokatlan öröklődésmenetre lettek figyelmesek. Amikor jobbra tekeredő házú nőstény csigákat balra tekeredő házú hímekkel kereszteztek, az első generációban minden csiga háza jobbra tekeredett. Az eredmény nem meglepő: a jobbra tekeredés domináns, a balra tekeredés recesszív. A várakozással ellentétben a második generációban is minden csiga háza jobbra tekeredett. A mocsári csigák – partner híján – önmegtermékenyítéssel szaporodnak. A harmadik generációban a jobbra és a balra tekeredő házú csigák aránya 3:1 volt, amint azt Mendel egyik szabálya szerint várnánk. Vagyis a csigaház tekeredésének iránya a Mendel-szabályok szerint öröklődik, csak egy generációt késve. A 3:1-es hasadási arány azt mutatja, hogy a csigaház tekeredési irányát olyan gének határozzák meg, amelyek a sejtmagban vannak, és valamelyik kromoszómának a részei. A reciprok keresztezésben balra tekeredő házú nőstényeket kereszteztek jobbra tekeredő házú hímekkel. Meglepetésre az összes utód háza balra tekeredett. További meglepetést hozott az, hogy a második generációban minden csiga háza jobbra tekeredett. A harmadik generáció sorsa a már ismert módon alakult.
Kiderült, hogy a csigaház tekeredési irányát az anya genetikai állománya határozza meg. Ha az anya hordozza a D-vel jelölt ép gént, és petesejtjei a D gén termékét, utódainak háza jobbra tekeredik. Ha az anya genetikai állománya nem tartalmaz funkcióképes D gént, hanem csak annak d-vel jelölt, funkcióját vesztett változatát, a petesejtből hiányzik a D gén által meghatározott fehérje, emiatt az utódok háza balra tekeredik. Annak ellenére, hogy az utód Dd allélpárt hordoz. Tehát az utód küllemét, sorsát lényegében nem a saját, hanem az anya genetikai állománya határozza meg a petesejt citoplazmájába helyezett molekulák révén. A jelenség neve anyai hatás, és azt jelenti, hogy a petesejtek citoplazmája olyan molekulákat – többnyire mRNS-eket és fehérjéket – tartalmaz, amelyek képződését az anya génjei határozzák meg. A petesejtek érése során képződnek, s a megtermékenyülést követően irányítják az embriók életét.
Képzeljünk el egy anyát, akinek valamelyik, az anyai hatásban részt vevő génjének mindkét példánya mutáns (m), emiatt elvesztette funkcióját. Látszólag ép petesejtjei képződnek, megtermékenyülnek, elkezdődik bennük az embriógenezis, de mivel a citoplazmájukból hiányzik e gén terméke, az embrió fejlődése elakad, és a magzat elpusztul. Ez az asszony meddő, bárkitől is származzon a petesejtjével egyesülő spermium. A meddő nők 8–10 százalékának éppen emiatt nem lehet gyermeke. Vajon lehet-e rajtuk segíteni? Két megoldás is kínálkozik: a fel nem töltött petesejtet egy ép petéből származó citoplazma-injekcióval „kisegítjük”, vagy a megtermékenyült petesejtből kiemeljük a sejtmagot, és olyan ép petesejtbe ültetjük, amelynek a magját előbb eltávolítottuk. E megoldásnak köszönhetően már három gyermek született a világon.
Azokból a petesejtekből fejlődhetnek ép, egészséges utódok, amelyek citoplazmája az anyai hatás minden tényezőjét tartalmazza. Az emberi petesejt heteken át készül fel a fogamzásra. A magzatvédő program célja éppen az, hogy asszonyainkat felkészítsük a gyermekvállalásra: éljenek olyan életet, amely lehetővé teszi petesejtjeik feltöltődését az anyai hatás tényezőivel. Ne dohányozzanak, ne dolgozzanak szerves oldószerekkel, fogyasszanak vitaminban gazdag ételt. A magzatvédő vitaminkeverék legfontosabb komponense a folsav. Az Amerikai Egyesült Államokban a program tapasztalatai alapján folsavval dúsítják a pékárukat. Magyarországon is kapható folsavat tartalmazó kenyér: Táltos néven kerül forgalomba.
Az anyai hatás szemléletes példája az öszvér. A lókanca és a szamárcsődör keresztezéséből olyan öszvérek származnak, amelyek a lóanyára hasonlítanak. A reciprok keresztezésből – ha szamárkancát lócsődörrel fedeztetnek – olyan öszvérek származnak, amelyek a szamárkancára hasonlítanak. A kétféle öszvér génjeinek egyik fele ló, a másik szamár eredetű, küllemük mégis annyira eltérő, hogy az angol nyelvben a lóöszvért mule-nak, a szamáröszvért hinny-nek nevezik. Hogy honnan, hogyan és mikor kerül az öszvérekbe a „lóság”, illetve a „szamárság”, azt sajnos még ma sem tudjuk.
A XX. század elején, amikor újra felfedezték az öröklődés törvényszerűségeit, néhány kutató különös öröklődési típusra figyelt fel. Egy kísérletből, amelyben zöld levelű kukoricanövények petesejtjeit sárga levelű kukorica pollenjeivel termékenyítették meg, csak zöld levelű növények származtak. (A zöld és a sárga levelű kukorica egyaránt termel sárga karotint. A sárga levelű növények azért sárgák, mert nem képződik bennük klorofill.) Az eredmény nem meglepő: a zöld tulajdonság domináns, a sárgaság (a klorofillképzés hiánya) recesszív. A különös az, hogy a második generációban csak zöld növények képződtek, sárga egy sem. Sőt amikor a zöld utódnövények petesejtjeit sárga növény pollenjeivel termékenyítették meg, az utódok mindegyike zöld volt. Az utódnemzedék zöld növényeit sárga levelű kukorica pollenjével megtermékenyítve ismét csak zöld növények származtak. A keresztezéseket végtelen generáción át lehet folytatni, az eredmény nem változik. Mintha a sárgalevelűség – nem úgy, mint a fehérvirágúság Mendel kísérleteiben – eltűnne az egymást követő generációkban, mintha az utódok csak az anyjuktól kapnák a leveleik színét meghatározó információt. Az első keresztezés fordítottjából (a reciprok keresztezésből), amelyben sárga levelű növények petesejtjeit zöld levelű kukorica pollenjével termékenyítették meg, csak sárga levelű növények származtak. Miként lehetséges, hogy az egyik keresztezésben a zöld, a másikban a sárga a domináns? Az előzőek alapján várható, hogy ha a sárga levelű kukoricák nővirágait a zöld levelűek pollenje termékenyíti meg (reciprok keresztezés), csak sárga levelű utódok származnak.
Mivel az utódok külleme (fenotípusa) mindig olyan volt, mint az anyjuké, az öröklődés e típusát anyai öröklődésnek nevezték el. Rövidesen kiderült, hogy az anyai öröklődés alapjai azok a DNS-molekulák, amelyek nem a sejtmagban, hanem más sejtszervecskékben: a kloroplasztokban, a mitokondriumokban, illetve az endoszimbionta (a sejtek citoplazmájában élő) baktériumokban vannak. Minthogy az élőlények összes kloroplasztja, mitokondriuma anyai eredetű, nem meglepő, hogy az anyai öröklődést mutató tulajdonságokat a kloroplasztokban, a mitokondriumokban vagy az endoszimbionta baktériumokban levő DNS-molekulák határozzák meg. Mivel e molekulák nem a sejtmagban vannak, az anyai öröklődést szokás extranukleáris vagy extrakromoszomális öröklődésnek is nevezni.
A mitokondriumaink anyai eredetűek, ezért nem meglepő, hogy a mitokondriális DNS (mtDNS) által meghatározott tulajdonságok anyai öröklődést mutatnak. Az ember 16 569 bázispárból álló mitokondriális DNS-e tizenhárom olyan fehérjeféleség szintéziséért felelős, amelyek az ATP-molekulák képződését eredményező oxidatív foszforilációban jutnak szerephez. Az emberi sejt egy-egy mitokondriumában általában két–öt mtDNS-molekula van. Azok a mitokondriumok, amelyeknek minden mtDNS-e mutáns, nem termelnek ATP-t, és azok a sejtek, amelyeknek minden mitokondriuma működésképtelen, elpusztulnak. Azok a sejtek, amelyekben háromféle – csupa ép mtDNS-ű, ép és mutáns mtDNS-t is tartalmazó, illetve csupa mutáns mtDNS-t hordozó – mitokondrium van, élet- és funkcióképesek lehetnek. A sejtosztódások közben azonban növekszik a mutáns mtDNS-ek aránya, emiatt egyre több mitokondrium csak mutáns mtDNS-t tartalmaz, és egyre gyakoribbak lesznek az olyan sejtek, amelyekben sok a mutáns mitokondrium, esetleg mind az. A csökkent funkciójú és/vagy funkcióképtelen mitokondriumokat tartalmazó sejtek energiaellátása romlik, a sejtek – ha életben maradnak – feladatukat tökéletlenül vagy egyáltalán nem tudják ellátni, és el is pusztulhatnak.
A mitokondriumok hibáját a sok ATP-t igénylő sejtek (például az izom- és idegsejtek) sínylik meg a legjobban, ezért nem véletlen, hogy az anyai öröklődést mutató tulajdonságok hibái elsősorban az e sejtekhez kötődő működéseket érintik. Az mtDNS mutációival kapcsolatos betegségek annál fiatalabb korban nyilvánulnak meg, minél nagyobb a petesejt mitokondriumaiban a mutáns mtDNS-ek aránya. A tünetek az életkor előrehaladtával fokozatosan alakulnak ki, és súlyosbodnak.
Az mtDNS egyik jellegzetessége, hogy hibái – nem úgy, mint a sejtmag DNS-ében – nem javítódnak. Ha valamely sejtünk egyik mitokondriumában elvész az egyik mtDNS-molekula egy szakasza, a megrövidült, következésképpen funkcióját vesztett mtDNS lassacskán túlnövi az ép mtDNS-eket. Az egymást követő sejtosztódásokban egyre szaporítják a funkcióképtelen mitokondriumokat, és csak idő kérdése, hogy a sejtek az ATP-ellátás elégtelensége miatt elpusztuljanak. A rövidülő mtDNS elszaporodása tény: az idősebb emberekben sokkal több a megrövidült mtDNS, mint a fiatalokban. Az mtDNS rövidülése az öregedés egyik fontos tényezője.
Hittük volna, hogy a szokatlan öröklődési típusokat megértve mi mindent tanulunk magunkról, és mennyi hasznunk lesz belőle? A nem mendeli genetika története a tudomány működésének jellegzetes példája. Kezdetben úgy tűnik, hogy néhány bogaras kutató a saját gyönyörűségére valamilyen jelentéktelen furcsasággal bíbelődik. A jelenséget megértve azonban olyan ismeretekre tehetünk szert, amelyekkel jobbíthatjuk életünket. Bár az anyai hatásra és az anyai öröklődésre növényekkel, illetve csigákkal folytatott kísérletek hívták fel a figyelmet, a két jelenség az egész élővilágra érvényes. És van-e ennél szebb?
A fenti szöveg a november 10-én elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.
Az előadás megtekinthető november 15-én (szombaton) a Duna Televízióban 10.55-től, november 16-án (vasárnap) az MTV-n 13.20-tól, valamint az M 2-n 22.05-től.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása november 17-én 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
