GENOM

CZŁOWIEKA

Opracowanie:
Mirosława Lemańczyk
Anna Wnuk

• Genom

-

jest to całość informacji genetycznej w postaci

nici DNA umieszczonej w

komórce

.

• Termin mylony jest z genotypem, czyli całością informacji

genetycznej zawartej w chromosomach organizmu.

• O wielkości genomu decyduje ilość nukleotydów budujących

łańcuchy wszystkich cząsteczek DNA w komórce. Materiał

genetyczny jest upakowany w chromosomy, czyli silnie

poskręcane nici DNA ze specyficznymi

białkami

histonowymi.

Materiał genetyczny danego organizmu żywego jest zapisem

wszystkich białek niezbędnych do życia tego organizmu.

Białka te zapisane są w postaci

kodu genetycznego

na nici

DNA.

• Genom może występować w postaci pojedynczej (czyli

haploidalnej ) oraz zwielokrotnionej ( np. diploidalnej ).

Genom haploidalny posiadają komórki prokariotyczne oraz

niektóre komórki eukariotyczne. Przeważająca większość

eukariontów posiada genom diploidalny.

• Genom mitochondrialny

• Mutacje w genach mitochondrialnych powodują

choroby

mitochondrialne

, których objawy dotykają głównie tkanki o największym

zapotrzebowaniu energetycznym - mięśniową i nerwową. Choroby te

mają charakterystyczny, matczyny wzór dziedziczenia. Również mutacje

kodowanych w jądrze komórkowym białek mitochondrialnych powodują

choroby genetyczne

(np.

ataksja Fredreicha

).

• Mitochondrialny DNA jest narażony na uszkodzenia przez

wolne rodniki

z

łańcucha oddechowego

, a w mitochondriach nie ma sprawnych

mechanizmów naprawczych dla DNA. Leży to u podłoża hipotezy

tłumaczącej objawy starzenia się akumulacją

mutacji somatycznych

mitochondrialnego DNA i obniżaniem sprawności energetycznej

komórek.

• Tak zwany obszar hiperzmienny mitochondrialnego DNA to niekodujący

fragment genomu mitochondrialnego, który bardzo się różni między

ludźmi. Dlatego wykorzystuje się go do badań genetyki populacyjnej

oraz w medycynie sądowej do ustalania tożsamości. Sekwencje

niektórych genów mitochondrialnych, różniące się między gatunkami,

mogą służyć jako "kod kreskowy" charakterystyczny dla poszczególnych

gatunków i są w związku z tym wykorzystywane w badaniach

bioróżnorodności.

• Ponieważ komórka zawiera tysiące kopii mitochondrialnego DNA, ma on

większą szansę niż DNA jądrowy zachować się w materiale kopalnym.

Do niedawna jedyne znane sekwencje kopalnego DNA to były sekwencje

mitochondrialne. Porównanie sekwencji DNA mitochondrialnego ludzi

współczesnych i neandertalczyków sugeruje, że gatunki te nie

krzyżowały się.

• Obecnie na całym świecie prowadzone są

zaawansowane badania nad budową

genomu

ludzkiego. Firmy biotechnologiczne prześcigają

się w odkrywaniu coraz to nowszych tajników

genetyki

człowieka

. W roku 2000 właściwie

poznano wstępnie genom ludzki. Zapis

genetyczny, to swoisty alfabet, który składa się z

czterech liter.

• Tymi literami są

nukleotydy

: adeninowy (A),

guaninowy (G), tyminowy (T) i cytozynowy (C).

Z takich nukleotydów zbudowany jest DNA,

natomiast

RNA

posiada

uracyl

zamiast tyminy.

• DNA

jest u człowieka przenośnikiem informacji genetycznej. Koduje on

informacje dotyczące budowy

białek

całego organizmu,

enzymów

odpowiadających za wszelkie i niezbędne procesy. Trzy leżące obok

siebie w kwasie nukleinowym (DNA) nukleotydy zawierają informacje

dotyczącą jednego aminokwasu (podstawowej jednostki budulcowej

białka). Trzy konkretne nukleotydy oznaczają konkretny aminokwas.

Aparat komórkowy potrafi odczytać taki nukleotydowy zapis i stworzyć

na jego podstawie białko. DNA zbudowany jest z dwóch

komplementarnych do siebie nici. Nukleotyd jednej nici łączy się z

nukleotydem drugiej nici. Tak połączone są ze sobą wszystkie

nukleotydy na całej długości DNA.

Adenina

łączy się zawsze z

tyminą, a

guanina

z cytozyną. Aby mogło dojść do odczytania

informacji genetycznej, łańcuch DNA musi zostać rozpleciony w

komórce

na dwie osobne nici. Jedna z nich to pasmo matrycowe (to ono zawiera

wszystkie informacje na temat całego organizmu), a drugie, to pasmo

kodujące (nazwa może wprowadzać w błąd, gdyż ta nić nie koduje

informacji). Jeśli w układzie nukleotydów pojawi się jakiś błąd (kolejność

nukleotydów zostanie zmieniona lub przestawiona, np. w wyniku

działania środka mutagennego), to zmienia się też kolejność ułożenia

aminokwasów

w cząsteczce białka powstającej na bazie zapisu

informacji w DNA. Powstające białko jest niewłaściwie zbudowane, w

związku z tym nie spełnia swojej funkcji w organizmie albo wręcz

szkodzi, co objawia się jako

choroba

. Przykładem takiej choroby jest

anemia

sierpowata, polegająca na zamianie aminokwasu w jednym z

czterech łańcuchów białkowych

hemoglobiny

. Zmiana ta dotyczy

oczywiście już samego zapisu w DNA (zmiana trójki nukleotydów)

Całe DNA zawarte w jądrze ludzkiej komórki (czyli ludzki genom) ma

półtora metra długości.

Międzynarodowy projekt

badawczy

„Genom człowieka”

(Human Genom Project, HGP)

• Program poznania genomu człowieka

*

1985

- pierwsze spotkania na temat opracowania szczegółowej mapy

ludzkich genów

*

1990

- oficjalny start obliczonego na 15 lat i mającego kosztować 3 mld

dolarów programu Human Genome Project (HGP)

*

1992

- Amerykanin Craig Venter zastosował metodę "wyławiania"

istotnych informacji ze stosów genetycznego "śmiecia" stanowiącego ok.

95 proc. naszego genomu

*

1995

- rozpoczyna się rozszyfrowywanie ludzkiego genomu -

zakończenie prac zaplanowano na rok 2005

*

1998

- Venter zostaje dyrektorem Celera Genomics w Rockville w stanie

Maryland, prywatnej firmy badającej genom człowieka. Wbrew opiniom

najlepszych ekspertów Celera zaczęła odczytywać genom inną metodą,

która okazała się znacznie szybsza i przybliżyła termin pełnego odczytania

"księgi życia" o całe dwa lata

*

02.12.1999

- ustalenie zawartości pierwszego ludzkiego chromosomu

*

11.01.2000

- Celera ogłasza, że rozpracowała już ponad 90 proc.

zapisu ludzkiego DNA

*

06.04.2000

- Celera zsekwencjonowała pełny zapis genetyczny jednej,

anonimowej osoby

*

15.06.2000

- opublikowanie pierwszej roboczej wersji pełnego

ludzkiego genomu

*

11.02.2001

- odczytanie prawie pełnego zapisu genetycznego

człowieka

*

2003

- planowana data zakończenia prac nad ludzkim genomem w

ramach Human Genome Project

• Do projektu należały

następujące państwa:

• Chiny

• Francja

• Niemcy

• Japonia

• Wielka Brytania

• USA

• Postawione cele

Celem badania ludzkiego genomu było nie tylko poznanie

miliardów par komplementarnych składająych się na nasze

DNA z minimalnym prawdopodobieństwem błędu. Chodziło

również o identyfikację funkcjonalnych genów zawartych w

tym morzu informacji. Proces ten jak dotąd się nie zakończył.

Jednak już rozpracowane dane zaskoczyły naukowców. Okazało

się, że genom człowieka opisuje zaledwie 30 tys genów

kodujących białka. Reszta genomu koduje nie białka lecz

wytwarzane na podstawie DNA cząsteczki RNA. Najnowsze

badania biochemiczne wykazały, że już samo RNA jest w stanie

przeprowadzać, szereg reakcji chemicznych w komórce.

Dodatkowo zauważono zjawisko blokowania ekspresji

niektórych genów przez ich komplementarne kopie w innym

miejscu genomu. Obraz jaki wyłonił się z projektu ludzkiego

genomu skłania badaczy do wielkiej powściągliwości w

głoszeniu triumfu nauki nad naturą. DNA bardziej przypomina

bardzo złożony program komputerowy niż zestaw przepisów na

różnie białka.

• Korzyści

Dzięki projektowi ludzkiego genomu nastąpił postęp w badaniu

nukleotydów zawartych w żywych organizmach. Dziś poznanie

genomu grożącego pandemią zarazka nie zajmuje już lata tylko

tygodnie albo miesiące. Obecnie sekwencja ludzkiego DNA jest

zapisana w bazie dostępnej w Internecie. Rozwinięto

oprogramowanie, które pozwala na znalezienie jakiegoś sensu w

genetycznej informacji. Dziedzina informatyki zajmująca się

analizą DNA to bioinformatyka.

Przełomowym wynalazkiem związanych z projektem ludzkiego

genomu są chipy DNA. Na układ półprzewodnikowy nanosi się

tysiące fragmentów kwasu dezoksyrybonukleinowego. Jeżeli w

badanej próbce znajdzie się kawałek DNA komplementarny do

jednego z tych fragmentów, to odpowiadające mu pole na chipie

zostanie aktywowane. W efekcie możliwe staje się błyskawiczne

określenie poziomu ekspresji zawartych w próbce genów.

Ekspresja wiąże się bezpośrednio ze stanem żywego organizmu, z

którego pobrano DNA. Oczywistym zastosowaniem może być tutaj

diagnostyka medyczna oraz dalszy rozwój badań genetycznych.

Porównywanie genomu różnych istot żywych daje też ogromne

korzyści biologii ewolucyjnej. Zgodnie ze współczesnymi teoriami

to gen jest przedmiotem ewolucji, a nie poszczególne osobniki.

Badanie historii poszczególnych genów zawartych w żywych

organizmach pozwala na prześledzenie ich drogi ewolucyjnej

• Dzięki naukowcom poznaliśmy prawdziwą kolejność ponad trzech miliardów

nukleotydów ludzkiego genomu. Minie jeszcze wiele lat, zanim bezcenne

informacje dotyczące sekwencji ludzkiego DNA zostaną wykorzystane w

jakikolwiek praktyczny sposób. W tej chwili nie da się łatwo odróżnić

wszystkich genów ukrytych w naszym genomie od tych fragmentów DNA,

które nic nie kodują i nie wpływają bezpośrednio na życie komórek. Kolejny

etap badań nad ludzkim materiałem genetycznym będzie polegał na

wyławianiu ważnych genów z morza nie kodujących sekwencji DNA (a geny

zajmują tylko kilka procent naszego materiału genetycznego). Poszukiwanie

genów w niezwykle długich cząsteczkach DNA jest bardzo trudne, ale

konieczne - sama sekwencja genomu ludzkiego nie ma dużego znaczenia dla

naukowców i lekarzy, jeśli nie wiadomo, które jej fragmenty są genami i w

jaki sposób te geny działają.

Wskazanie lokalizacji poszczególnych genów w genomie człowieka i

rozszyfrowanie roli tych genów w procesach życiowych komórki może być

jeszcze trudniejszym zadaniem niż odczytanie sekwencji ludzkiego DNA i na

pewno potrwa przynajmniej kilka lat. Jednocześnie genetycy spróbują

stworzyć szybsze metody analizy dużych grup ludzkich genów, na przykład

udoskonalając płytki genowe. Dopiero wtedy wiadomości uzyskane podczas

badań nad genomem człowieka nabiorą praktycznego znaczenia.

•

DLACZEGO BADANIA NAD LUDZKIM

GENOMEM SA TAK WAŻNE?

PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA

1. bardziej efektywne zapobieganie i leczenie chorób

Od 1995 roku genomy wielu patogenicznych mikrobów (cholery, gruźlicy, malarii)

zostały zsekwencjonowane. Poznanie ich struktury pomaga zrozumieć ich

"taktykę" oraz podpowiada jak można je unieszkodliwić.

2. zrozumienie dlaczego niektórzy ludzie chorują i umierają na choroby, na które

inni, wydaje się, że są uodpornieni.

Przykładem może być anemia sierpowata, która na terenach objętych malarią u

osób heterozygotycznych ze względu na tą cechę zapewnia ochronę przed tą

choroba, podczas gdy homozygoty recesywne nie dożywają wieku dojrzałości

płciowej..

3. "Odcisk palca" (ang. "finger printing")

Fragmenty DNA pobrane zwykle ze szpiku kostnego, krwi obwodowej są

charakterystyczne dla danego osobnika. Wyjątkiem są bliźniacy jednojajowi.

Wykorzystuje się to w kryminologii, sprawdzaniu ojcostwa.

4. leczenie nowotworów

Nowotwory są najczęściej spowodowane akumulacją kilku mutacji genowych,

które aktywują onkogeny Zidentyfikowanie do tej pory ponad 100 onkogenów

obrazuje zmiany powodujące rozwój nowotworu.

Niektóre nowotwory, choć wizualnie podobne maja inny rozkład ekspresji genów -

poznanie ułatwia wybranie terapii.

5. wydłużenie życia

Badanie genów powiązanych z utleniaczami, które jak wiemy przyczyniają się do

starzenia się organizmów może w przyszłości zaowocować wydłużeniem średniej

długości życia.

6. rozpoznanie jakie geny są odpowiedzialne za powstanie, powiązanie i

utrzymanie systemu nerwowego - leczenie chorób neurologicznych

7. zrozumienie dlaczego niektórzy ludzie bardziej się uzależniają od narkotyków

(kokaina wpływa na pewne transportery dopaminy, które różnią się u ludzi).