Birodalmak visszavágva: az ELTE és a Bristoli Egyetem közös sikere legkorábbi őseink kutatásában

Az élővilág fejlődésének egyik alapvető kérdése, hogyan alakultak ki a mai élővilág legnagyobb csoportjai, azaz milyenek az evolúciós törzsfa legkorábbi elágazásai. A biológusok a legnagyobb rendszertani csoportokat birodalmaknak (doméneknek) nevezik.

Az élővilág evolúciójáról részben az ősmaradványokból, részben pedig a mai élőlények genetikai állományának (genomjának) vizsgálatából nyerhetünk ismereteket. A különböző élőlényekből származó genomok összehasonlításából az élőlények rokonsági kapcsolataira, leszármazásukra következtethetünk. Az élet első körülbelül 3 milliárd éve főleg ezen az alapon vizsgálható, mert a fosszíliák csak mintegy 500 millió évvel ezelőttől állnak nagy számban rendelkezésre.

Birodalmak csatái

Az evolúciógenetikában is jellemző, hogy a korábbi néhány vagy néhány tucat gén vizsgálata helyett ma már sokkal több gént, sőt egész genomokat lehet vizsgálni, ez pedig – a tudomány sok más területéhez hasonlóan – egyre több adatot eredményez. A sok új adat, illetve az egyre jobb adatelemzési módszerek miatt az elmúlt években fellángolt a vita az élővilág legkorábbi fejlődése körül, a háromdoménes és a kétdoménes elmélet hívei között (lásd az alábbi, nagyon egyszerűsített ábrákon).

A háromdoménes elmélet szerint az utolsó közös ősből az egyik ágon a baktériumok, a másik ágon pedig az úgynevezett archaeák és az eukarióták (a sejtmaggal rendelkező, magasabb szervezettségű élőlények) közös őse jött létre. Ennek két fő irányba való fejlődésével jelentek meg aztán az archaeák és az eukarióták.

A háromdoménes elmélet törzsfája Forrás: mta.hu

Az archaeák a baktériumokhoz hasonlóan prokarióták, azaz sejtmaggal nem rendelkező, egysejtű élőlények. Sejtjeik alakja és mérete a legtöbb esetben a baktériumsejtekéhez hasonló. A két élőlénycsoportot azért különítették el, mert az archaeáknak számos egyedi jellemzőjük van (ilyen például membránjaik összetétele), illetve több szempontból már az eukariótákhoz hasonlóak (ilyen például a transzkripcióban és a transzlációban részt vevő enzimeik működése). Az archaeákat korábban szélsőséges környezeti feltételek között fedezték fel, de ma már ismerünk az emberi bélben, bőrben élő csoportokat is.

A háromdoménes elmélet szerint a harmadik doménbe, az eukarióták közé a valódi sejtmaggal rendelkező egysejtű élőlények (algák, állati egysejtűek, mikroszkopikus gombák), illetve a többsejtűek (növények, állatok, gombák) tartoznak. Sejtjeik sejtmaghártyával, valamint membránnal határolt sejtszervecskékkel rendelkeznek.

A kétdoménes elmélet szerint az utolsó közös ősből az egyik ágon a baktériumok jöttek létre (ebben megegyezik a háromdoménes elmélettel), a másik ág azonban egyenesen az archaeákhoz vezetett. Az archaeák fejlődése aztán több ágra szakadt, és az egyik ágból fejlődtek ki az eukarióták.

A kétdoménes elmélet törzsfája Forrás: mta.hu

Az ELTE is segített megrázni a törzsfát

A vita lezárásához nagy lépést jelent a Nature Ecology & Evolution folyóiratban 2019. december 9-én megjelent cikk, Phylogenomics provides robust support for a two-domains tree of life címmel. Szöllősi Gergely (ELTE TTK) és Tom Williams (Bristoli Egyetem) közös kutatásainak legújabb eredményei egyértelműen a kétdoménes elméletet támasztják alá.

A kutatók eredményei szerint az eukarióták az archaeákból fejlődtek ki, azokon belül is az úgynevezett Asgard archaeákból. Az Asgard-vonalon belül pedig a Heimdallarchaeota nevű archaeatörzs az, amely a legközelebb áll az eukarióta leszármazási vonalhoz.

A kutatás során több mint 3000, archaeákból és eukariótákból származó géncsaládot vizsgáltak, mindegyiknek elkészítve saját leszármazási vonalát. Bár nem mindegyik géncsalád volt közös a két csoport között, a nagy mennyiségű adat ezt ellensúlyozta. Az adatok ezt követő átlagolásával ugyanolyan eredményekre jutottak, mint amilyeneket korábban más módszerekkel – pár tucat ősi, minden élőlénycsoportban biztosan jelen lévő géncsalád vizsgálatával – kaptak.

„Az volt a cél, hogy többféle adathalmazt elemezzünk, illetve az adatok komplexitását jobban reprodukáló elemzési módszereket használjunk. Az eredményeink szerint egyértelműen két domén van – mondja Szöllősi Gergely, az ELTE TTK Fizikai Intézet Biológiai Fizikai Tanszékének adjunktusa. – Az első eukarióták egy Asgard archaea gazdasejt – amely valószínűleg egy tengermélyi hévforrásban élt – és egy baktérium egyesülésével jöhettek létre.”

ELTE-s kutatócsoport a nemzetközi élvonalban

Szöllősi Gergely János 2016-ban nyerte el az Európai Kutatási Tanács (ERC) Starting Grant támogatását, és kutatócsoportját az ELTE Fizikai Intézetében alapította meg („GENECLOCKS” Research Group).

„A kutatócsoport nemzetközi szinten is élvonalbelinek számít, vezető lapokban publikáljuk az eredményeinket. A munkában diákok, doktoranduszok és posztdokok is részt vesznek, itthonról és külföldről is. Szívesen fogadjuk a diákokat, érdekes projektekben vehetnek részt, amelyekben lehetőségük van bekerülni a nemzetközi vérkeringésbe is. Már a mesterszakon el lehet érni olyan eredményeket, amelyekkel hazai és külföldi doktori iskolákba is sikerrel pályázhatnak. Általában is igaz, hogy az ELTE számos kutatócsoportja jó útlevelet ad a tudományos világba” – mondja Szöllősi Gergely.

A csoport a Bristoli Egyetem és a Lyoni Egyetem kutatóival működik együtt evolúciógenetikai kutatásokban. Az ELTE-n egy az ERC-keretből vásárolt nagy teljesítményű, több mint ezer CPU-maggal rendelkező számítógépet üzemeltetnek, így a csoport hazai részlege főleg a modellépítésen és az adatelemzésen dolgozik, a paleobiológiai centrum pedig Bristolban van. A magyar kutatók által kidolgozott új, genomszintű adatelemzési modellre
– amely például a génduplikációkat vagy génvesztéseket is figyelembe veszi – alapozott első részletesebb eredményeket a kutatócsoport 2017-ben publikálta a PNAS-ben. Egy másik fontos cikkük a Nature Ecology & Evolution folyóiratban jelent meg 2018-ban. Szöllősi és munkatársai ebben egy teljesen új genetikai módszert ajánlanak a molekuláris óra kalibrálására: a fosszíliák híján is pontos kalibrációt lehetővé tévő horizontális géntranszfer vizsgálatát.

Szöllősi Gergely és kollégáinak fő kutatási területe olyan modellek kidolgozása, amelyekkel az egyre több adat egyre hatékonyabban elemezhető. Ennek alapjait még ELTE-s diákként rakta le. „Egyetemistaként Debrecenből az ELTE-re jöttem, mert itt van a legerősebb elméleti fizikai képzés. Később az egyetemi évek során olyan biológiai kérdésekkel találkoztam, amelyekre a választ matematikai modelleken keresztül közelítettük meg. Ráadásul akkortájt vált egyre olcsóbbá a DNS-szekvenálás, ami rengeteg új adatot és ezáltal új kérdést jelentett. Emiatt máig vadnyugatszerű, izgalmas, felfedező érzés evolúcióbiológiával foglalkozni” – mondta korábban egy interjúban, amely az ELTE TTK Fizikai Intézetét a középiskolásoknak bemutató brosúrában olvasható.

2016 óta lendületben

Szöllősi Gergely egy másik kutatócsoportot is vezet, ez a Magyar Tudományos Akadémia Lendület programjának keretében működő MTA-ELTE Lendület Evolúciós Genomika Kutatócsoport. Az MTA honlapján így foglalta össze a kutatócsoport fő célját: „Mára több mint ezer organizmus és több tucat szövet rákos daganatának genomszekvenciája ismert. A bennük rejlő információ feltárása és hasznosítása a biológia egyik legizgalmasabb kihívása az evolúciós múlt megértése és a rákkezelés jövője szempontjából egyaránt. Az utóbbi évtizedekben a molekuláris evolúció tudománya drámai fejlődésen ment át:
40 éve pár tucat rövid RNS-szekvencia segítségével fényt derített az élet három doménjére, az utóbbi néhány évben pedig teljes genomszekvenciákra támaszkodva bebizonyította, hogy a nem afrikai származású emberek DNS-ének 1–4%-a Neander-völgyi eredetű, továbbá fényt derített a tumorok rendkívüli heterogenitására is. A molekuláris evolúció kutatása sokak szerint fénykorát éli. Ahhoz, hogy beváltsa a hozzá fűzött reményeket, az adatgyűjtésen túllépve a rendelkezésre álló adatokat értelmezni képes módszereket kell kidolgoznia. A kutató célja ilyen, különböző időskálákon zajló, a fajok több százmillió éves diverzifikációjától az évtizedekben mérhető tumorkialakulásig terjedő evolúciós folyamatokat koherensen kezelő, teljes genomszekvenciákat értelmező modellek fejlesztése.”

A Lendület-kutatócsoport 2017-ben számolt be egyik legjelentősebb eredményéről. Derényi Imre és Szöllősi Gergely János a Nature Communications folyóiratban közölték világos matematikai modellre alapozott okfejtésüket, mely szerint az evolúció a daganatos elfajulás kockázatát a megújuló szövetek hierarchikus szervezésével, és ezen keresztül a sejtosztódások számának minimumon tartásával igyekszik mérsékelni.

Szöllősi Gergely

Névjegy

Szöllősi Gergely 2009-ben, Derényi Imre professzor diákjaként szerezte doktori címét fizikai tudományokból az ELTE Természettudományi Karának Fizika Doktori Iskolájában. 2009-2013 között Lyonban folytatta kutatásait posztdoktori kutatóként, majd Marie Curie- ösztöndíjasként.

2013-ban tért haza az ELTE TTK Biológia Fizika Tanszékére Derényi Imre Lendület-csoportjába. 2016 óta az MTA-ELTE Lendület Evolúciós Genomika Kutatócsoportjának vezetője.

2017 júliusától az ERC Starting Grant pályázatának köszönhetően öt év alatt 1,45 millió eurós támogatást használhat fel.