Magdalena Fikus - Informacja Genetyczna-Wyrok czy Możliwość

7/30/2019 Magdalena Fikus - Informacja Genetyczna-Wyrok czy Moliwo

1/9

ARTYKUYZ F

NXXXIII / 2003, s. 6473

Magdalena FIKUS

Instytut Biochemii i Biofizyki PAN

Warszawa

INFORMACJA GENETYCZNA: WYROK CZY

MOLIWO

Mwimy o terapii genowej, jak gdyby moga

zmieni czyj los, ale mona take go zmie-ni, jeli spaci si czyje zaduenie na karciekredytowej.

(James Watson)

Zaczo si od serii przypadkw. Wybrano 21 dawcw, ktrzy

sami okrelili swoj przynaleno etniczn. Od kadego pobrano 130

ml krwi, od mczyzn take nasienie, piciokrotnie. Zakaajc cz

limfocytw dawcw wirusem Epsteina-Barra utworzono niemiertelnelinie komrek. Z jdrowego DNA wykonano banki genomowe. Do

ostatecznych bada wybrano DNA piciu osobnikw, kierujc si wie-

loma okolicznociami, m.in. jakoci banku genw. DNA wybranych

dawcw posuyo w firmie Celera do oznaczenia sekwencji nukle-

otydw ludzkiego genomu. Caa procedura bya zgodna z Deklaracj

Helsinsk o prawach czowieka.

Weszlimy w wiek XXI z pokanym posagiem genetycznym. Przez

pierwsze 25 lat uprzedniego wieku trwaa identyfikacja komrkowychstruktur nonikw materiau genetycznego, ktre nazwano chromoso-

mami. W poowie wieku dwu badaczy James Watson, ktry nie-

UWAGA: Tekst zosta zrekonstruowany przy pomocy rodkw automatycz-nych; moliwe s wic pewne bdy, ktrych sygnalizacja jest mile widziana([email protected]). Tekst elektroniczny posiada odrbn numeracj stron.

1Referat wygoszony na VII Krakowskiej Konferencjii Metodologicznej Koniecz-

no i przypadek, Krakw 8-9 maja 2001.


2/9

2 M FIKUS

dawno przekroczy dwudziestk, Francis Crick, trzydziestk opisu-

jc budow chemiczn i struktur przestrzenn kwasu deoksyrybonu-

kleinowego, DNA, dokonao najwikszego przyrodniczego odkrycia

stulecia. Trzeba byo upywu kolejnych 25 lat i bada wieczonych

licznymi nagrodami Nobla, aby opisane zostay w gwnych zary-sach zasady regulacji ekspresji genw, czyli regulacji intensywnoci

reakcji prowadzcych od DNA do dwu grup czsteczek: kwasu ry-

bonukleinowego (RNA) oraz biaek. Od pocztku lat 70. rozpocza

si era manipulacji genetycznych, czyli procedur wiodcych do kon-

trolowanych zmian genetycznych, zwanych potocznie inynieri gene-

tyczn. Jednym z waniejszych wynikw osignitych w tym okresie

jest opracowanie metody ustalania kolejnoci czterech podjednostek

tworzcych DNA (nukleotydw A, G, C, T), zwanej sekwencjonowa-

niem DNA. Sekwencja nukleotydw to zapis informacji genetycznej

w jzyku czteroliterowym. Do koca XX wieku oznaczono sekwencje

205 naturalnych plazmidw, 185 organelli, genomw 600 wirusw, 31

eubakterii, 7 archebakterii, 1 grzyba, 2 zwierzt bezkrgowych i 1 ro-

liny. W lutym 2001 roku ogoszono triumfalnie zakoczenie prac dwu

niezalenie pracujcych zespow naukowych, ktre poday sekwencje

ponad 90% genomu ludzkiego. Ciekawe, wykorzystano rne sposobyprzygotowania DNA, rne algorytmy obliczeniowe i.... rne rda

finansowania. W kadej grupie uczestniczyo po kilkaset osb. Jedna

skadaa si z pracownikw instytucji publicznych USA (ponad 70%

wynikw), Wielkiej Brytanii, Japonii, Chin, Francji, Niemiec, druga fi-

nansowana bya przez prywatne instytuty o amerykaskich siedzibach,

TIGR i Celera. Oba programy wyszy z fundamentalnego zaoenia, e

budowa wszystkich biaek i RNA zakodowana jest w DNA. Milczco

zakadano, e po zidentyfikowaniu wszystkich czsteczek wystpuj-cych w komrce i organizmie uzyska si szczegow wiedz o tym,

jak one dziaaj i jak ich dziaanie jest regulowane. J. Collins, szef

grupy publicznej, przewiduje, e ok. 2030 roku uzyskanie wasnego,

indywidualnego paszportu genetycznego bdzie kosztowa mniej ni

$1000. Sdzi rwnie, e technologia genowa w zastosowaniach me-

dycznych bdzie udziaem jedynie mieszkacw krajw o zaawanso-


3/9

INFORMACJA GENETYCZNA: WYROK CZY MOLIWO 3

wanej technologii, co przyczyni si do dalszego rozwarstwiania wiata

na bogatych i biednych. Wydawa by si mogo, e odczytanie sekwen-

cji genomu osobnika jest jednoczenie sentencj wyroku. Skoro jednak

liczba i ilo kodowanych przez DNA biaek podlega regulacji, a czsto

procesy te rozpoczynaj si, kocz, lub ich prdko ulega zmianom,w wyniku oddziaywania organizmu z otoczeniem, to do realizacji ge-

netycznego wyroku wkracza przypadek i nieoznaczono. Geny i ge-

nom ludzki porwnywano na wiele sposobw z uprzednio poznanymi

w innych gatunkach. Nikogo nie zdziwio, e znaleziono wrd nich

pewn grup genw i biaek uniwersalnych, obecnych jako podstawowe

genetyczne wyposaenie wszystkich organizmw. Ich istnienie wska-

zuje na utrwalone i zoptymalizowane w toku ewolucji procesy meta-

bolizmu komrek. Tym bardziej zainteresowanie badaczy zwraca si

nie ku informacjom o genach wsplnych z innymi stworzeniami, a ku

poznaniu genw swoistych czowiekowi. Niestety czowiek pooony

jest daleko w sensie ewolucyjnym od dwojga poznanych uprzednio

zwierzt: nicienia Caenorabditis elegans i muszki Drosophila mela-

nogaster. Z niecierpliwoci oczekiwane s zatem dane o sekwencji

genomowej gryzoni (mysz, szczur), ryb i wreszcie naczelnych.2 Usta-

lone jako charakterystycznie ludzkie cechy genomu by moe dzielimyz krgowcami, moe tylko ze ssakami. A za takie uznano:

1. Tylko 1,2 1,4% ludzkiego DNA to obszary eksonowe, pod-

czas gdy transkrybowany RNA zajmuje 28% genomu. Introny ludz-

kich genw s bardzo dugie, a geny rozrzucone po genomie rzadko.

Na 1 milion nukleotydw w drodach przypada rednio 483 geny,

u poznanych bezkrgowcw ok. 200, u czowieka 15. Identyfikacja

genw w sekwencji ludzkiego DNA jest zatem bardzo trudna, a wy-

niki przeczesywania poznanej sekwencji programami komputerowyminie zawsze wiarygodne.

2. Ponad 50% DNA czowieka stanowi kilkanacie typw sekwen-

cji nie kodujcych, powtarzajcych si. Ich rola fizjologiczna nie zo-

staa ustalona, cz z nich porwnuje si do pasoytniczych czste-

2W maju 2001 w zespoach Celera oznaczono sekwencj genomow myszy, jednak

ze wzgldw komercyjnych nie podano jej do publicznej wiadomoci


4/9

4 M FIKUS

czek, cz do symbiotycznych. S nierwnomiernie rozrzucone po

genomie, niektre mog da pocztek nowym genom i prawdopodob-

nie daway w przeszoci. Dla porwnania: powtarzajce si sekwencje

stanowi 3% genomu muszki, 6,5% genomu nicienia, i 10,5% roliny.

3. Z wyrnionych 1278 rodzin genw wsplnych dla poznanychju organizmw eukariotycznych tylko 94 uprzednio nie opisano. To

tak, jak by obserwowany dzi kres dziaa procesw ewolucji nie wiele

doda do repertuaru genetycznego. Jak naleao si spodziewa dla ca-

ego wielotkankowego organizmu ssaka, genom czowieka bogaty jest

w geny i biaka ukadu immunologicznego, krwiononego, neurolo-

gicznego; a z punktu widzenia jego komrek w biaka regulujce

procesy transkrypcji (syntezy RNA na matrycy DNA.

4. Wzdu danego chromosomu i w rnych chromosomach rna

jest czstotliwo rekombinacji (wymiany fragmentw DNA), u m-

czyzn rekombinacja bya szczeglnie aktywna w chromosomie 12,

u kobiet w 16. Drastyczne rnice miedzy pciami na poziomie gene-

tycznym pojawiaj si take w trakcie dojrzewania pciowych kom-

rek; mutacje s 5 razy czstsze w komrkach mskich.

5. W kadym okresie ycia osobniczego, cho czciej w yciu

podowym i dziecistwie, mog objawi si choroby warunkowane ge-netycznie. Ponad 1000 z nich zostao molekularnie i klinicznie zrni-

cowanych. Cechy zwizane z zachowaniami s zawsze wielogenowe,

dlatego mwi si, e geny nadaj osobowoci czowieka okrelone

predyspozycje. Trudnoci w cisym zdefiniowaniu tych predyspozycji

zwiksza fakt, i nie ma dobrych sposobw na ilociowe oceny takich

np. cech jak agresywno, inteligencja, podatno na stresy itd. Geny

zwizane z zachowaniem zazwyczaj ulegaj ekspresji w mzgu, najsa-

biej poznanym organie czowieka, nawet na poziome fizjologicznym,a co dopiero molekularnym.

Genom jest zatem u danej osoby w zasadzie niezmiennym zapi-

sem informacji. Ale tylko zapisem. Jej realizacja zaley od dwu cigw

bardzo zoonych procesw: transkrypcji i translacji. W wyniku trans-

krypcji powstaj czsteczki RNA, jedno niciowego kwasu nukleino-

wego, komplementarne do jednej z nici kodujcego go DNA. O trans-


5/9


kryptach RNA wiemy mniej ni o DNA. Sam proces regulacji inten-

sywnoci ich syntezy jest zoony i podlega m.in. wpywom warunkw

panujcych wok organizmu i wok i wewntrz danej komrki. To

znaczy, e gen moe, ale nie musi w danym momencie by transkry-

bowany, a RNA moe by z rn szybkoci degradowany, jeszczezanim wczy si do procesu translacji. A kilka lat temu odkryto za-

dziwiajce zjawisko: z tego samego pierwotnego produktu transkryp-

cji jednego genu, (pre-mRNA), moe w komrkach eukariotycznych,

dziki rnemu wycinaniu intronw, powstawa wicej ni jedna doj-

rzaa czsteczka informacyjnego RNA, (m-RNA). Jeeli tak, jeeli eks-

ony cz si ze sob w rnej kolejnoci, to ostatecznie uformowane

rne informacyjne RNA koduj rne biaka, poniewa kolejno tr-

jek nukleotydw stanowicych kodony okrelonych aminokwasw jest

rna w rnych wersjach m-RNA. Ten sam gen moe kodowa wi-

cej ni jedno biako, a opisany powyej proces dojrzewania m-RNA,

zwany alternative splicing (ang), jest wyjtkowo intensywny w ko-

mrkach ludzkich. Liczba biaek decydujcych o naszej rnorodnoci

i odrbnoci gatunkowej znacznie przewysza liczb genw.

Jeeli chodzi o m-RNA nie koniec na tym. Kilkanacie lat temu

odkryto take, e do ju dojrzaej czsteczki mRNA pewne enzymymog w czci kodujcej dodawa pojedyncze i kilka naraz nukleoty-

dw, co podobnie do alternatywnego dojrzewania zmienia sens zapisu

genetycznego, co wicej, nie ma swojego odpowiednika w sekwen-

cji genu. Odnotowywano take dla danego mRNA przesunicia co do

miejsca startu i koca transkrypcji, a wic raz jeszcze, rne odko-

dowywanie informacji genetycznej zapisanej w tej samej sekwencji

DNA.

Wreszcie w roli jak odegra jako matryca informacji genetycznejdany mRNA niebagatelne znaczenie ma trwao w komrce danej

czsteczki jej czas ycia moe si waha od kilku sekund do

godzin. W rozwaaniach o grze koniecznoci i przypadku w proce-

sach ekspresji informacji genetycznej pozosta jeszcze niezwykle bo-

gaty obszar proteomu, czyli zespou syntetyzowanych biaek, w da-

nym gatunku, w danych tkance i komrce, w danym momencie ich


6/9

6 M FIKUS

ycia. Skal problemu rozszerza jeszcze fakt, e jakkolwiek coraz bar-

dziej wzbogaca si nasza wiedza o przestrzennych strukturach biaek,

to w dalszym cigu nie mona przewidzie funkcji tych czsteczek

w oparciu o samo poznanie struktury. Ta ostatnia niechtnie odkrywa

swoje tajemnice, metody badawcze s w tej dziedzinie trudne w wy-konaniu, kosztowne i cay problem wymaga zastosowania kilku me-

tod jednoczenie. Nadal przewidywanie struktury przestrzennej biaka

ze znajomoci sekwencji aminokwasw, bez danych dowiadczalnych,

jest gr sam w sobie. Wiadomo, e to samo biako, w zalenoci od

otaczajcych warunkw, moe przyj rne struktury przestrzenne

i spenia rne funkcje. Dramatycznym przykadem takiej sytuacji s

zogi amyloidowe obserwowane w przebiegu rnych chorb neuro-

degeneracyjnych. W budowie wielu biaek eukariotycznych wyrni

mona obszary przyjmujce pewien ksztat, takie obszary nazywamy

domenami. Wiele domen biaek wyszych eukariotw (w tym czo-

wieka), w niszych organizmach wystpuje jako odrbne biaka o innej

funkcji, ni wtedy gdy s czci wikszej czsteczki. Domeny mog

take wystpowa w rnych kombinacjach, co znakomicie zwiksza

liczb rozwiza alternatywnych. I tak np. pewna domena proteazy se-

rynowej, enzymu trawicego inne biaka i podobnego do trzustkowejtrypsyny, oddziauje w komrkach ludzkich z 18. rnymi domenami,

kompleksy te maj rne funkcje. T sam domen w komrkach

muszki odnajduje si w 8 kompleksach, u nicienia w 5, a w dro-

dach tylko w jednym.

Toczy si spr wok doniesie grupy Celera o obecnoci w ludz-

kim genomie 223 genw pochodzcych wprost od bakterii. S badacze,

ktrzy twierdz, e jest to bd w oznaczeniach i artefakt. Po dokad-

nym zbadaniu tej grupy genw ostao si tylko ok. 40 genw. Wy-janienie tego sporu nie jest bahym problemem, cho liczba genw

niewielka wie si on z wielk zagadk biologii molekularnej,

z pytaniem czy moliwe byo w trakcie ewolucji, a wic czy mo-

liwe jest obecnie, tak zwane horyzontalne przenoszenie genw mie-

dzy gatunkami. Wiadomo, i zdarza si to miedzy mikroorganizmami,

jednak brak bezporednich dowodw na takie wdrwki genw mi-


7/9


dzy prokariotami i eukariotami. Gdyby byy one moliwe, wzrosa

by liczba argumentw przeciw manipulacjom z transgenicznymi roli-

nami i zwierztami. Czy jednak jestemy nosicielami genw pocho-

dzcej w prostej linii od bakterii poka najblisze lata, w ktrych

weryfikowane bd dowiadczenia grupy Celera. Horyzontalne prze-noszenie genw mogoby by kolejnym przykadem roli przypadku

w rozwoju ycia.

Przetumaczone z mRNA biako podlega jeszcze modyfikacjom

potranslacyjnym. Moe zosta udekorowane przez wyspecjalizowane

w takiej funkcji enzymy rnymi dodatkowymi grupami funkcyj-

nymi: acetylow, metylow, fosforanow i innymi. Te dekorujce grupy

bardzo czsto okrelaj dalsz aktywno i czas ycia czsteczki

biaka, stanowi take gatunkowy wyrnik, zauwaany przez systemy

immunologiczne. Przyjmowanie okrelonych struktur przestrzennych,

o czym ju bya mowa, take moe czy si z modyfikacjami che-

micznymi, z ktrych najwaniejsz jest jednoczesna redukcja bocz-

nych odgazie aminokwasw, grup SH, z utworzeniem utlenionego

mostka S-S, spinajcego czsto oddalone odcinki acucha biako-

wego.

U czowieka, cho znaleziono tylko 30-40 tysicy genw, liczbrnorodnych biaek, ktre moe wytwarza nasz organizm ocenia si

na blisk 100 tysicom. W zwizku za z rnicami w funkcjach r-

nych tkanek, rwnie w przyblieniu sdzi si, e w danym typie

komrek powstaje w danym momencie ok. 10 tysicy biaek. No i nie

budzi adnej wtpliwoci intuicyjnie przewidywalna sytuacja, e te 10

tysicy biaek wchodzi w wielorakie oddziaywania midzy sob i in-

nymi czsteczkami obecnymi w komrce, oddziaywania dyktowane

potrzeb chwili, atwo powstajce i atwo si rozpadajce. O ich ist-nieniu bardzo czsto decyduje take charakterystyczny transport sub-

stancji wewntrz komrki i jej podzielenie na przedziay wysoko wy-

specjalizowanymi bonami. Nad caoci procesw realizacji informa-

cji genetycznej czuwaj swoiste czynniki sygnaowe (biaka, produkty

genw regulacyjnych). Nie ulega zatem wtpliwoci, e procesy eks-

presji genw podlegaj rnorodnym modyfikacjom, przyczyn tych


8/9

8 M FIKUS

zjawisk nie w peni pojmujemy, wic te i wynik kocowy czsto nie

daje si przewidzie. Take metody bada dowiadczalnych zespo-

w genw, ich transkryptw i ich kocowych produktw biakowych

wymagaj rozwinicia, lub wrcz stworzenia. Przykadem moe by

technika tzw. czipw DNA, pozwalajca na jednoczesne badanieintensywnoci wielu tysicy genw w prbkach pobranych z kom-

rek w okrelonym stanie fizjologicznym, od chorego, od osobnikw

w rnym wieku itd. Wydaje si, e w biologii molekularnej jestemy

wiadkami przekraczania niezwykle wanej granicy, dzielcej zbiera-

nie szczegowych faktw i tworzenie czstkowych hipotez, od teorii

uoglniajcych, ktre pozwol spojrze na komrk i organizm, kiedy

take na biosfer, jako na caoci, funkcjonujce zgodnie z dajcymi

si zrozumie reguami. Koczy si epoka pojedynczych badaczy, kt-

rzy cae swoje ycie powicili badaniu jednego genu lub jednego

biaka.

Ubstwo metod badawczych w stosunku do cech wielogenowych

zmusza do analiz statystycznych. Przez wiele lat w sporze o cechy ludzi

warunkowane czy to przez geny, czy przez rodowisko najwa-

niejsze dane uzyskiwano z bada jednojajowych (monozygotycznych)

blinit, wychowywanych wsplnie lub osobno.3

Z bada tych jasnowynika, e cechy zoone s tak rnie warunkowane (w tym obecno-

ci rnych wersji kilkunastu, czsto kilkudziesiciu genw), e i ich

podoe trudno przy dzisiejszej wiedzy jednoznacznie opisa. Zaan-

gaowane w gr geny stwarzaj predyspozycj organizmu do okrelo-

nych cech, nie za pewno, i cechy takie si pojawi. Cay problem

jeszcze bardziej komplikuje fakt (take statystyczny), e w miar gro-

madzenia przez jednostk dowiadcze yciowych wzrasta rola genw

w przejawianiu si cech, a maleje wpyw rodowiska. Dziedzicznonie jest synonimem niezmiennoci.

3Korelacja wspczynnika inteligencji, IQ, z genetycznym pokrewiestwem, wy-raona w procentach wynosi dla tej samej osoby testowanej dwa razy 87, dla jednoja-

jowych blinit razem wychowywanych 86, osobno 76, dwujajowych wychowywa-

nych razem 55, rodzestwa 47, rodzicw i dzieci yjcych razem 40, osobno 31,adoptowanych dzieci yjcych razem 0. 100 oznaczao by doskona zbieno, 0

losow rnic. Cyt. za M. Ridley, Genom, Rebis, 2001.


9/9


Geny s tylko rusztowaniem, na ktrym ksztatujemy nasze y-

cie. Genom przytrafiaj si przypadkowe przygody, prowadzce do

zmian, ktre genetycy nazwali mutacjami. Utrwalone w kolejnych po-

koleniach mutacje staj si koniecznoci. Ale te, jak w cytowanej

ju ksice napisa Matt Ridley: ....caa ludzka natura jest elastycz-nie zaprogramowana z gry w naszych chromosomach i wyjtkowa

dla kadego z nas. Kady ma niepowtarzaln i odmienn, endogenn

natur. Swoje ja .

Genom ludzki opisany zosta w Nature, numerze specjalnym

6822, z dn. 15 lutego 2001 (Konsorcjum Projektu Genomu Czo-

wieka, zespoy akademickie finansowane przez budety wielu krajw)

i w Science, numerze 5507 z dn. 13 lutego 2001 (prywatna firma

Celera).

Magdalena Fikus - Informacja Genetyczna-Wyrok czy Możliwość

Documents

Transcript of Magdalena Fikus - Informacja Genetyczna-Wyrok czy Możliwość