A színlátáskutatás kifinomult árnyalatai

A legtöbb emlős - így pl. a kutyák is -, mindössze kétfajta színérzékelő fehérjemolekulával (fotopszin, fotoreceptor-fehérje) rendelkezik, azonban az ember és még néhány főemlős szemében háromféle fotopigment is található. A madarak, halak és rovarok ennél sokkal ügyesebbek: a csirkéknek pl. négy féle színérzékelő opszinjuk van, és néhány madár, továbbá sokféle hal az ultraviola fényt is látja.

A fotopszinok a retina fotoreceptor-sejtjeinek – csapok – membránjában elhelyezkedő G-receptor-kapcsolt fehérjék (a sötétben, illetve gyenge fényben való látásért a pálcikák rodopszinja felelős; rod=pálcika), és mindegyik fotoreceptor-fehérje más-más hullámhosszúságú fényre a legérzékenyebb. Az emberi szemben a kék fényt nagy hatékonysággal elnyelő fotopszin a 420-440 nm-es rövidhullámú fényre, a zöld fényt nagy hatékonysággal elnyelő az 535-545 nm-es középhullámra a legérzékenyebb, míg a vörös fényre kifejezetten érzékeny fotopszin az 565-580 nm-es hosszú hullámokat nyeli el leginkább.

Mint Kerry Grens írja a The Scientist című tudományos-ismeretterjesztő lapban, a színlátás kialakulása során egymást követték a meglepő genetikai események, ráadásul a különös véletlenek nagy részét mára a tudománynak sikerült feltárnia.

Színlátás-specialisták

George Wald 1967-ben kapott Nobel-díjat az ’50-es években végzett munkájáért, a fotopszinok abszorpciós spektrumának feltárásáért, majd a ’80-as években Jeremy Nathans és David Hogness látott neki, hogy kiderítse, mi a színlátás molekuláris mechanizmusa. Az világos volt számukra, nyilatkozta Nathans a The Scientistnek, hogy nem a receptorfehérjéket érdemes tanulmányozni, mert azokkal nehéz dolgozni és igen kevés van belőlük, ezért egyenesen azok génjeihez fordultak. Akkoriban még igen kevés emberi gént klónoztak, fejletlen volt a rekombináns DNS-technika, ezért négy évbe tellett, mire meghatározták a szarvasmarha-rodopszin aminosavsorrendjét, a következő évben szekvenálták a humán rodopszingént, majd eltartott még több évig, de – Nathans saját DNS-ét használva – végül sikerült a fotopszinokat is klónozni. Kiderült, hogy kettő közülük – a vörös és a zöld – az X kromoszómán található, és az aminosav-sorrendjük 96%-ban azonos. Az eredményből arra következtettek a kutatók, hogy az evolúció során az X kromoszóma egyetlen eredeti opszin-génje egy egyszerű duplikáció révén megkettőződött, majd a másolatban keletkező mutációk következtében módosult az új fotoreceptor-fehérje abszorpciós spektruma, és az addig két típusú fotopigmenttel rendelkező, bikromát szem valamikor 30 millió évvel ezelőtt eljutott a trikromát látásig.

Mint később kiderült, egyáltalán nem ilyen egyszerű a történt.

Szövevényes kaland

Egy harmadik fotopszin hozzáadása nem 50 százalékkal növeli a színlátás képességét, hanem megszázszorozza. Mint ma is a legtöbb emlős, 30-60 millió évvel ezelőtt élt majomőseink is csak kétféle fotopszinnal rendelkeztek (kéket és zöldet érzékelő), nemcsak az érett, piros gyümölcsöket és a fehérjében gazdagabb, pirosas leveleket nem tudták megkülönböztetni az alacsonyabb tápanyagtartalmú zöldségektől, de a ragadozók bundájának finomabb színárnyalatait sem voltak képesek érzékelni a lombos háttér előtt.

A harmadik fotopigment óriási invenció, mondja Jay Neitz, aki 1991-ben feleségével, Maureen Neitz-cel és Gerald Jacobs-szal együtt bebizonyította, hogy ehhez az óriási hatékonyságnövekedéshez valóban elég mindössze három aminosav cseréje: az opszin 180-as számú aminosavjának, egy szerinnek az alaninra cserélése a zöldet érzékelő receptorfehérje abszorpciós spektrumát 6 nm-rel tolja el, a 277. helyen lévő tirozin fenilalaninra cserélése 9 nm-es eltolódást eredményez, míg a 285-ös pozíciójú treonin alaninra módosítása további 15 nm-t ad hozzá a változáshoz, így alakul ki a zöldet és a vöröset érzékelő opszin abszorpciós maximuma közötti 30 nm-es különbség, azaz a trikromát látás lehetősége.

Ez így döbbenetesen egyszerűnek tűnik, de képes-e az az élőlény, akiben kialakult egy ilyen szerencsés lehetőség, valóban ki is használni azt, és az agyával feldolgozni, értelmezni a harmadik féle fotoreceptor jeleit?

Ennek kiderítése érdekében Jacobs és munkatársai olyan mókusmajmokkal kezdtek dolgozni, amelyek polimorf színlátással rendelkeznek: egyes nőstények sokkal több színárnyalatot képesek megkülönböztetni, mint a hímek és a többi nőstény. Rájöttek, hogy valamennyi mókusmajom csak kétféle fotopszin génnel rendelkezik, az egyik gén a 7-es kromoszómán, a másik az X kromoszómán helyezkedik el, azonban számos különböző alléljuk van. Az ember zöld és vörös fotopszinjára hasonlító allélek az X kromoszóma azonos helyén találhatók, így a hím mókusmajmok – mivel csak egy X kromoszómájuk van – bikromát látásúak, a nőstények viszont akár két különböző allélt is hordozhatnak két X kromoszómájukon: a heterozigóták trikromát látásúak. Azaz, mint Jay Neitz kifejti: a főemlősök trikromát látásának kialakulása minden valószínűség szerint nem az evolúciósan alapvetőnek tekintett „génduplikáció majd divergencia” sémát követte, hanem először a divergencia alakult ki, egyetlen gén polimorfizmusa, majd a későbbiek során genetikai transzlokációval kerülhetett át az egyik fotopszin gén az egyik X kromoszómáról a másik X kromoszóma fotopszingénje mellé – ahogy az ma az emberekben is található. „Érdekes csavar a génduplikáció evolúciós dogmáján” – mondja Nathans.

Tudományos sikertörténet

Egy-egy csapban azonban csak az X kromoszóma egyik fotopszingénje működik: minden csap csak egyféle fotoreceptort termel; az agy azzal a módszerrel tesz különbséget a színek között és úgy állapítja meg a bejövő színinger térbeli elhelyezkedését, hogy összehasonlítja egy adott csap-sejt és annak szomszédjai válaszát a különféle hullámhosszúságú fényre. A színlátás genetikai kirakójátékának megfejtésében tehát az volt a következő lépcső, hogy ki kellett deríteni: az élőlény teljes genetikai információját hordozó csap-sejtek, amelyek pl. az ember esetében mindhárom fotopszingént tartalmazzák, hogyan korlátozzák a genetikai információ átíródását?

A kutatók azt manapság sem tudják, hogy a testi kromoszómán található kék fotopszingén mi módon kerüli el, hogy valamelyik X kromoszómás fotopszingénnel együtt fejeződjön ki, azt azonban Nathans-nak sikerült kiderítenie, hogy a két X kromoszómás fotopszingén hogyan korlátozza egymást. A színlátás-specialista olyan férfiakat tanulmányozott, akik úgynevezett kék monokromát látásúak, azaz csak a kék árnyalatait tudják megkülönböztetni, és felfedezett az X kromoszómájukon egy deléciót az egymás mellett elhelyezkedő vörös és zöld fotopszingénektől 4000 bázispárnyi távolságra. Úgy tűnt, hogy egy szabályozó régió hiányára bukkant, amit transzgénikus egerekkel végzett kísérletekkel be is bizonyított: a vörös és zöld fotopszin expressziójához szükség van erre a génszakaszra, és ennek a szakasznak a működése dönti el – valószínűleg véletlenszerűen, szögezi le a The Scientist cikke -, hogy a két gén közül melyik íródik át. Fontos megjegyezni, milyen szerencse, hogy a fotopszin-gén megkettőződése nem járt együtt ennek a szabályozó régiónak a duplikálódásával.

Szuper-színérzékelővé válhatunk?

Még egy alapvető evolúciós biológiai dilemma azonban megoldásra várt: tudják-e, és ha igen, hogyan tudják az állatok kezelni, értelmezni a hirtelen kialakuló újfajta szenzoros inputokat. Nathans erre is megpróbált válaszolni, a kétféle fotoreceptorral rendelkező egerek tanulmányozásával. Nőstény egerek egyik X kromoszómájában kicserélte a középhullámra érzékeny fotopszingént emberi, hosszú hullámra érzékeny fotopszingénre, és úgy tűnt, a kísérleti állatok képesek az agy alapvető újrahuzalozása nélkül az új receptor tartományába eső színek megkülönböztetésére. „Úgy tűnik, az emlősagy előre van huzalozva, és képes azonnal befogadni és értelmezni a harmadik féle fotopszin által küldött jeleket. Ez arra utal, mondja a szintén színlátás-kutató Shozo Yokoyama, hogy távoli őseink a ma élőknél is több színt voltak képesek érzékelni. Gerinces őseinknek még 5 különböző pigmentjük volt, emlős őseink azonban néhányat elveszthettek. Az agy értelmező kapacitása azonban megmaradt.

Neitz abban reménykedik, hogy a majmokban már használatos génsebészet révén – két majomba is beültettek 3 fotopszingénjük mellé egy csak madarakban előforduló negyediket – a közeljövőben kezelhetővé válik az emberi színvakság, sőt visszaszerezhetjük az őseink által elvesztett receptorokat, és valamennyien szuper-színérzékelővé válhatunk.