66 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1997

W

i´kszoÊç czytelników tego
pisma prawdopodobnie zna
poj´cie genu jako czegoÊ, co

przekazuje dziedziczne cechy z pokole-
nia na pokolenie. Mniej docenia si´ fakt,
˝e êle dzia∏ajàce geny przyczyniajà si´
do powstania wi´kszoÊci chorób, nie tyl-
ko dziedzicznych. Na przyk∏ad specy-
ficzne zmiany aktywnoÊci genów sà ty-
powe dla nowotworów, mia˝d˝ycy
t´tnic, osteoporozy, zapalenia stawów
i choroby Alzheimera. Nawet choroby
zakaêne na ogó∏ wywo∏ujà aktywacj´
okreÊlonych genów w uk∏adzie odpor-
noÊciowym pacjenta. Co wi´cej, nagro-
madzajàce si´ w ciàgu ˝ycia uszkodze-
nia genów, b´dàce wynikiem ekspozycji
na promieniowanie jonizujàce i szkodli-

we zwiàzki chemiczne, prawdopodob-
nie le˝à u podstaw niektórych zmian
zwiàzanych z procesem starzenia.

Kilka lat temu z grupà kolegów o po-

dobnych poglàdach uznaliÊmy, ˝e wie-
dza o tym, gdzie i kiedy w organizmie
cz∏owieka sà w∏àczane ró˝ne geny, do-
prowadzi do znacznego post´pu w na-
szych umiej´tnoÊciach prognozowania,
zapobiegania, leczenia i wyleczenia cho-
rób. Kiedy gen jest aktywny – lub te˝, jak
to okreÊlajà genetycy, eksprymowany –
czyli ulega ekspresji, sekwencja jedno-
stek chemicznych (zasad) w jego DNA
jest wykorzystywana jako plan do wy-
tworzenia okreÊlonego bia∏ka. Bia∏ka
w rozmaity sposób kierujà wszystkimi
funkcjami komórki. S∏u˝à jako sk∏adniki

strukturalne, jako katalizatory, przepro-
wadzajàce wiele chemicznych procesów
˝yciowych i jako elementy kontrolne re-
gulujàce podzia∏, ró˝nicowanie komórek
oraz aktywnoÊç fizjologicznà na wszyst-
kich poziomach. Rozwój od zap∏odnione-
go jaja do doros∏ego cz∏owieka jest tak
naprawd´ efektem ukierunkowanych
zmian we wzorcu ekspresji genów w ró˝-
nych tkankach.

ZdaliÊmy sobie spraw´, ˝e wiedza

o tym, które geny ulegajà ekspresji
w zdrowych i chorych tkankach, powin-
na nam umo˝liwiç zarówno zidentyfi-
kowanie bia∏ek potrzebnych do normal-
nego funkcjonowania tkanek, jak
i zwiàzanych z anomaliami chorobowy-
mi. Takie dane pozwoli∏yby opracowaç

Do leków przez geny

Wykrycie ludzkich genów zwiàzanych z chorobami umo˝liwia naukowcom

wytwarzanie leczniczych bia∏ek i przyspiesza opracowanie skutecznych leków

William A. Haseltine

DNA

cDNA

cDNA

mRNA

WYTWARZANIE
BIA¸KA

WN¢TRZE

KOMÓRKI

BAKTERIA

WEKTOR DNA

WYEKSTRAHOWANY

mRNA

BAKTERIA

BEZ WSTAWKI cDNA

ROBOT WRA˚LIWY NA BARW¢

KOLONIE BAKTERII

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1997 67

nowe testy diagnostyczne na wiele cho-
rób i nowe leki wp∏ywajàce na aktyw-
noÊç zmienionych bia∏ek czy genów. Byç
mo˝e niektóre z zidentyfikowanych
przez nas bia∏ek i genów zostanà wy-
korzystane przez naukowców jako le-
ki. W pewnym sensie chcieliÊmy uzy-
skaç opis ludzkiej anatomii o wysokiej
rozdzielczoÊci, schodzàc do poziomu
molekularnego.

ZdawaliÊmy sobie spraw´, ˝e znale-

zienie wszystkich eksprymowanych ge-
nów w ka˝dej z dziesiàtków tkanek or-
ganizmu b´dzie ogromnym przedsi´-
wzi´ciem. Typowa komórka ludzka za-
wiera oko∏o 100 tys. genów. Tylko ma-
∏a ich cz´Êç (zwykle oko∏o 15 tys.) ulega
ekspresji w danym typie komórki, ale
w poszczególnych typach komórek eks-
prymowane sà ró˝ne geny. Tak wi´c
przejrzenie jednego czy dwóch rodza-
jów komórek nie umo˝liwi∏oby ujaw-
nienia genów ulegajàcych ekspresji
w pozosta∏ych cz´Êciach cia∏a. Nale˝a∏o-
by tak˝e zbadaç tkanki ze wszystkich
stadiów rozwoju cz∏owieka. Co wi´cej,
by zidentyfikowaç zmiany w ekspresji
genów przyczyniajàcych si´ do powsta-
nia choroby, konieczna by by∏a analiza
równie˝ chorych tkanek.

Post´p technologii umo˝liwi∏ to zada-

nie. Naukowcy potrafià teraz szybko od-

kryç, które geny ulegajà ekspresji w do-
wolnej tkance. Nasza strategia okaza∏a
si´ najszybszym sposobem identyfiko-
wania genów o znaczeniu medycznym.

Pos∏u˝my si´ przyk∏adem mia˝d˝y-

cy t´tnic. W tej cz´stej dolegliwoÊci sub-
stancje t∏uszczowe zwane p∏ytkà mia˝-
d˝ycowà gromadzà si´ wewnàtrz t´tnic,
szczególnie tych, które doprowadzajà
krew do serca. Nasze podejÊcie pozwa-
la sporzàdziç list´ genów ulegajàcych
ekspresji w normalnych t´tnicach oraz
otrzymaç informacj´ o poziomie ekspre-
sji ka˝dego z nich. Mo˝emy wtedy po-
równaç jà z listà takich, które sà aktyw-
ne u pacjentów z mia˝d˝ycà t´tnic.
Ró˝nica odpowiada genom (a wi´c
i bia∏kom) zwiàzanym z chorobà. Wska-
zuje te˝, w jakim stopniu ich ekspresja
uleg∏a zmniejszeniu lub zwi´kszeniu
w wyniku choroby. Naukowcy mogà
wówczas wyprodukowaç bia∏ka ludz-
kie kodowane przez te geny.

Gdy jest ju˝ mo˝liwa produkcja bia∏ka

w czystej postaci, opracowanie testu po-
zwalajàcego na jego detekcj´ u pacjenta
nie przedstawia specjalnych trudnoÊci.
Test wykrywajàcy, ˝e bia∏ko wyst´pujà-
ce w p∏ytce jest produkowane w nad-
miernej iloÊci, pozwala ujawniç wczesne
oznaki mia˝d˝ycy t´tnic, kiedy istnieje
wi´cej sposobów leczenia. Co wa˝niej-

sze, czyste bia∏ka u∏atwià farmakologom
poszukiwanie nowych leków. Zwiàzek
chemiczny hamujàcy produkcj´ jakiegoÊ
bia∏ka p∏ytki mo˝na by uznaç za Êrodek
leczàcy mia˝d˝yc´ t´tnic.

Nasze podejÊcie, które nazywam ge-

nomikà medycznà, le˝y troch´ poza
g∏ównym nurtem badaƒ w genetyce cz∏o-
wieka. Wielu naukowców zaanga˝o-
wa∏o si´ w Projekt Poznania Ludzkiego
Genomu (Human Genome Project), mi´-
dzynarodowe przedsi´wzi´cie zmierza-
jàce do odkrycia kolejnoÊci zasad w ca-
∏ym ludzkim DNA. (Wszystkie infor-
macje w DNA zapisane sà alfabetem z∏o-
˝onym tylko z czterech zasad.) B´dà to
wa˝ne dane w poznaniu dzia∏ania i ewo-
lucji genów, szczególnie istotne dla ba-
daƒ nad chorobami dziedzicznymi. Jed-
nak projekt genomowy nie jest naj-
szybszym sposobem odkrywania genów,
poniewa˝ wi´kszoÊç zasad, z których
sk∏ada si´ DNA, w rzeczywistoÊci znaj-
duje si´ poza obr´bem genów. Co wi´-
cej, PPLG nie okreÊli tak˝e, które geny
zwiàzane sà z wyst´powaniem chorób.

W 1992 roku, by zrealizowaç nasze

zamierzenia, za∏o˝yliÊmy firm´ Human
Genome Sciences (HGS). Na poczàtku
wspó∏pracowaliÊmy z niedochodowà
organizacjà Institute for Genomic Re-
search, wspieranà przez naszà firm´;

JENNIFER C. CHRISTIANSEN

ROZDZIELONE

CZÑSTECZKI

cDNA

Jak si´ przygotowuje

i rozdziela czàsteczki cDNA

K

omórki wykorzystujà mRNA do wytwarzania
bia∏ek. My odkrywamy geny, sporzàdzajàc

komplementarne kopie mRNA w postaci DNA (tzn.
cDNA). Najpierw musimy sklonowaç (czyli wypro-
dukowaç du˝à liczb´ kopii) cDNA, wystarczajàcà do
oznaczenia wchodzàcych w jego sk∏ad zasad. Bio-
lodzy molekularni opracowali sposoby wstawiania
cDNA do wyspecjalizowanych p´tli DNA zwanych
wektorami, zdolnych do namna˝ania si´ wewnàtrz
komórek bakteryjnych. Mieszanina cDNA z danej
tkanki nazywa si´ bibliotekà.

W HGS przygotowaliÊmy dotychczas biblioteki

z prawie wszystkich zdrowych narzàdów i tkanek,
a tak˝e wielu dotkni´tych chorobà. Aby uzyskaç
wiele kopii biblioteki, podajemy jà bakteriom, które
pobierajà wektory.

Wszystkie bakterie wysiewamy nast´pnie na

p∏ytce od˝ywczego ˝elu i pozwalamy im utworzyç
kolonie, tak aby ka˝da powsta∏a z jednej bakterii.
Nast´pnie pos∏ugujemy si´ robotem potrafiàcym
zauwa˝yç i wy∏apaç kolonie, które pobra∏y cDNA.
Robot rozpoznaje je po kolorze. Nasze wektory
konstruujemy tak, by w przypadku, gdy nie wbudu-
je si´ do nich fragment cDNA, nadawa∏y bakte-
riom kolor niebieski. Robot – poÊród 10 tys. kolo-
nii bakterii analizowanych dziennie – odnajduje
te, które zawierajà ludzki cDNA, pomijajàc kolo-
nie niebieskie. Nast´pnie cDNA z ka˝dej kolonii, ju˝
w iloÊciach nadajàcych si´ do analizy, jest automa-
tycznie oczyszczany.

dyrektor instytutu J. Craig Venter by∏
twórcà wielu nowatorskich pomys∏ów
w badaniach nad genomami. Po szeÊciu
miesiàcach do HGS dosz∏a SmithKline
Beecham, jedna z najwi´kszych firm far-
maceutycznych na Êwiecie. Po pierw-
szym roku prace kontynuowano tylko
w HGS i SmithKline Beecham. Póêniej
do∏àczyli do nas Schering-Plough, Take-
da Chemical Industries w Japonii, Merck
KGaA w Niemczech i Synthelabo we
Francji.

BezpoÊrednia droga do genów

Poniewa˝ klucz do opracowywania

nowych leków le˝y raczej w ludzkich
bia∏kach ni˝ w samych genach, ktoÊ móg∏-
by zadaç pytanie, dlaczego w ogóle zaj-
mujemy si´ genami. W zasadzie mogli-
byÊmy analizowaç po prostu bia∏ka.
Jednak znajomoÊç ich sk∏adu nie umo˝li-
wia produkcji, aby zaÊ opracowaç leki,
trzeba uzyskaç du˝e iloÊci bia∏ek, o któ-
rych sàdzimy, ˝e odgrywajà wa˝nà rol´.
Jedynym praktycznym sposobem jest izo-
lacja odpowiednich genów i wprowadza-
nie do komórek zdolnych do ich ekspre-
sji w znacznych iloÊciach.

Nasza metoda znajdowania genów

koncentruje si´ na niezwykle istotnym
produkcie poÊrednim tworzonym w ko-
mórkach, kiedy gen ulega ekspresji. Na-
zywa si´ on informacyjnym RNA (mes-
senger RNA – mRNA) i podobnie jak
DNA zawiera sekwencje z∏o˝one z czte-
rech zasad. Kiedy komórka produkuje
mRNA z genu, w zasadzie dok∏adnie
kopiuje sekwencj´ zasad DNA; mRNA
s∏u˝y nast´pnie jako matryca do kon-
strukcji specyficznego bia∏ka zakodowa-
nego w genie. KorzyÊci z pos∏ugiwania
si´ w badaniach mRNA polegajà na tym,
˝e komórki produkujà go tylko wtedy,
gdy odpowiadajàcy mu gen jest aktyw-
ny. Jednak sekwencja zasad mRNA, po-
krewna sekwencji samego genu, dostar-
cza nam wystarczajàcej informacji, by
wyizolowaç gen z ca∏ej masy DNA obec-
nego w komórkach i umo˝liwiç produk-
cj´ bia∏ka.

Problem z mRNA polega jednak na

tym, ˝e jest on niewygodny w obróbce.
Tak wi´c naprawd´ pracujemy z jego za-
miennikiem – stabilnà kopià w postaci
DNA zwanà cDNA, czyli DNA komple-
mentarnym do czàsteczki mRNA. Ko-
pie cDNA przygotowujemy, odwraca-
jàc po prostu proces, dzi´ki któremu
komórka robi mRNA z DNA.

Otrzymywane w ten sposób kopie

cDNA sà na ogó∏ replikami odcinków
mRNA, a nie ca∏ej czàsteczki, która osià-
ga d∏ugoÊç wielu tysi´cy zasad. W rze-
czywistoÊci ró˝ne cz´Êci genu dajà
cDNA, których wspólne pochodzenie

Jak ustaliç cz´Êciowà sekwencj´ cDNA

N

aukowcy ustalajà cz´Êciowe sekwencje cDNA dzi´ki chemicznemu rozk∏adaniu
jego kopii na fragmenty ró˝niàce si´ d∏ugoÊcià o jednà zasad´. W tym procesie

koƒcowa zasada ka˝dego z fragmentów zostaje zwiàzana z jednym z czterech barw-
ników fluorescencyjnych; kolor barwnika zale˝y od rodzaju nukleotydu znajdujàcego

si´ w tej pozycji. Urzàdzenie sortu-
je nast´pnie wyznakowane fluore-

scencyjnie fragmenty pod wzgl´dem
d∏ugoÊci. Nast´pnie laser kolejno

wzbudza znaczniki barwnika. Po-
wstaje wtedy sekwencja kolorów od-

powiadajàca kolejnoÊci zasad na
jednym koƒcu analizowanego

cDNA, którà mo˝na odczytaç elek-
tronicznie. Cz´Êciowe sekwencje

o d∏ugoÊci setek zasad ∏àczy si´ ze
sobà w komputerze, by ustaliç se-

kwencj´ ca∏ego genu.

JENNIFER C. CHRISTIANSEN

REAKCJE

SEKWENCJONUJÑCE

LASER

OKO ELEKTRONICZNE

DANE O SEKWENCJI

CZÑSTECZKA

BARWNIKA

CZ¢ÂCIOWE

SEKWENCJE cDNA

PRZEWIDYWANA SEKWENCJA GENU

cDNA

nie rzuca si´ w oczy. Mimo to cDNA za-
wierajàcy tylko kilka tysi´cy zasad cià-
gle zachowuje jedynà w swoim rodzaju
sygnatur´ genu, z którego si´ wywodzi.
Dzieje si´ tak dlatego, ˝e prawdopodo-
bieƒstwo, by dwa ró˝ne geny mia∏y
wspólnà sekwencj´ o takiej d∏ugoÊci, jest
niezmiernie ma∏e. Tak jak rozdzia∏ lo-
sowo wybrany z ksià˝ki okreÊla jà
w sposób jednoznaczny, podobnie czà-
steczka cDNA w niepowtarzalny spo-
sób identyfikuje gen, który umo˝liwi∏
jej powstanie.

Majàc ju˝ cDNA, mo˝emy go powie-

laç, by uzyskaç ˝àdanà iloÊç. Oznacza
to, ˝e otrzymamy doÊç materia∏u do
okreÊlenia kolejnoÊci jego zasad. Ponie-
wa˝ regu∏y, wed∏ug których komórki
przekszta∏cajà sekwencje DNA w se-
kwencje aminokwasów wchodzàcych
w sk∏ad bia∏ka sà znane, daje nam to in-
formacj´ o kolejnoÊci sekwencji amino-
kwasów odpowiedniego fragmentu
bia∏ka. T´ z kolei mo˝na porównaç z se-
kwencjami bia∏ek o znanej budowie. Do-
starcza to zwykle pewnych informacji
o funkcji ca∏ej czàsteczki, poniewa˝ bia∏-
ka zawierajàce zbli˝one sekwencje ami-
nokwasów cz´sto wykonujà podobne
zadania.

Analiza sekwencji cDNA poch∏ania-

∏a niegdyÊ wiele czasu, ale w ostatnich
latach skonstruowano instrumenty bio-
medyczne, które mogà wykonywaç t´
czynnoÊç w sposób automatyczny, a za-
razem wiarygodny. ˚eby naszà strategi´
zastosowaç w praktyce, konieczny by∏
post´p tak˝e w innej dziedzinie. Apa-
ratura do sekwencjonowania wykorzy-
stywana na zamierzonà przez nas ska-
l´ dostarcza gigantycznych iloÊci da-
nych. Na szcz´Êcie istniejà ju˝ dost´p-
ne systemy komputerowe zdolne do
przetwarzania powstajàcych megabaj-
tów i wraz z naszym udzia∏em napisa-
no programy, które pomagajà zrozu-
mieç ten ogrom genetycznych detali.

Praca nad uk∏adankà

Nasza technika identyfikacji genów

wykorzystywanych przez komórk´ po-
lega na analizie sekwencji 300–500 za-
sad na jednym koƒcu ka˝dej czàsteczki
cDNA. Te cz´Êciowe sekwencje cDNA
s∏u˝à za markery dla genów i sà czasa-
mi okreÊlane jako etykiety ekspresyjne
(EST – expressed sequence tag). Wybra-
liÊmy t´ d∏ugoÊç dla naszych cz´Êcio-
wych sekwencji cDNA, poniewa˝ jest
dostatecznie krótka, by jà szybko zana-
lizowaç, a jednoczeÊnie doÊç d∏uga, by
jednoznacznie okreÊliç gen. JeÊli czà-
steczk´ cDNA porównamy do rozdzia-
∏u ksià˝ki, to cz´Êciowa sekwencja jest
jej pierwszà stronà – mo˝e okreÊliç

ksià˝k´ i nawet zorientowaç w jej tre-
Êci. Podobnie cz´Êciowe sekwencje
cDNA mówià nam co nieco o genie,
z którego si´ wywodzà. W firmie HGS
otrzymujemy oko∏o miliona zasad su-
rowej sekwencji dziennie.

SkutecznoÊç naszej metody si´ spraw-

dza. W ciàgu niespe∏na pi´ciu lat ziden-
tyfikowaliÊmy tysiàce genów; wiele
z nich mo˝e odgrywaç rol´ w powsta-
waniu choroby. Tak˝e inne firmy oraz

naukowcy akademiccy przystàpili do re-
alizacji programów majàcych na celu
uzyskanie cz´Êciowych sekwencji cDNA.

Wiele z otrzymanych przez nas cz´-

Êciowych sekwencji (jak to rozpoznajà
komputery HGS) pochodzi albo z jed-
nego z 6 tys. genów ju˝ zidentyfikowa-
nych przez naukowców w inny sposób,
albo z genu, który my sami znaleêliÊmy
wczeÊniej. Kiedy nie mo˝emy jedno-
znacznie przypisaç nowo wytworzonej
sekwencji znanemu genowi, sprawa sta-
je si´ bardziej interesujàca. Komputery
w HGS przeszukujà wówczas nasze
oraz publiczne bazy danych, by spraw-
dziç, czy nowa sekwencja przynajmniej
cz´Êciowo pokrywa si´ z czymÊ, co ju˝
wczeÊniej zosta∏o znalezione. Kiedy
znajdujemy ewidentnà „zak∏adk´”, ∏à-
czymy zachodzàce na siebie cz´Êciowe
sekwencje w coraz d∏u˝sze odcinki zwa-
ne kontigami. Kontigi odpowiadajà wi´c
niekompletnym sekwencjom, które na-
szym zdaniem muszà byç gdzieÊ obec-
ne w wyjÊciowym genie. Proces ten
przypomina ∏àczenie ze sobà fraz w ro-
dzaju „w snów tumanie, gdy znu˝y∏o”
oraz „gdy znu˝y∏o mnie dumanie/Nad
ksi´gami ... magii” i uk∏adania ich we

fragment, który da si´ rozpoznaç jako
cz´Êç poematu Kruk Edgara Allana
Poego*.

JednoczeÊnie na podstawie cz´Êcio-

wej sekwencji bia∏ka staramy si´ wyde-
dukowaç jego prawdopodobnà funkcj´.
Mo˝emy je wtedy zaklasyfikowaç na
zasadzie podobieƒstwa jego struktury
do struktury znanych bia∏ek. Czasem
odpowiada ono jakiemuÊ ludzkiemu
bia∏ku, ale cz´sto przypomina bia∏ko

bakterii, grzyba, roÊliny, owada; inne
organizmy wytwarzajà wiele bia∏ek pe∏-
niàcych funkcje podobne do bia∏ek ludz-
kich. Nasze komputery ciàgle uaktual-
niajà te prowizoryczne klasyfikacje.

Na przyk∏ad trzy lata temu przewi-

dzieliÊmy, ˝e ka˝dy z czterech odr´b-
nych genów zawierajàcych specyficzne
kontigi b´dzie produkowa∏ bia∏ko po-
dobne do tych, które biorà udzia∏ w na-
prawie mutacji w DNA u bakterii
i dro˝d˝y. Poniewa˝ naukowcy stwier-
dzili, ˝e niezdolnoÊç do naprawiania
mutacji mo˝e powodowaç raka jelita
grubego, zacz´liÊmy pracowaç nad ca∏-
kowitym zsekwencjonowaniem tych
czterech genów. Kiedy znany specjalista
od raka jelita grubego zg∏osi∏ si´ do nas
póêniej z proÊbà o zidentyfikowanie ge-

nów warunkujàcych t´ chorob´ (wie-
dzia∏ o jednym z nich), mogliÊmy go po-
informowaç, ˝e ju˝ pracujemy z trzema
dodatkowymi genami, prawdopodob-
nie uczestniczàcymi w tym procesie.

Dzi´ki dalszym badaniom potwier-

dzi∏o si´, ˝e mutacja w którymÊ z czte-
rech genów mo˝e powodowaç zagra˝a-
jàcego ˝yciu raka jelita grubego,
jajników lub Êluzówki macicy (a˝ co
dwusetna osoba w Ameryce Pó∏nocnej
i w Europie niesie mutacj´ w jednym
z tzw. genów naprawy b∏´dnie sparo-
wanych zasad). Naukowcy mogà wi´c
opracowaç testy analizujàce te geny
u osób, których krewni chorujà na wy-
mienione typy nowotworów. JeÊli ba-
dane osoby wyka˝à genetyczne predys-
pozycje, mogà byç ÊciÊle monitorowane.
Szybkie wykrycie guza pozwala na chi-
rurgiczne usuni´cie nowotworów ratu-
jàce ˝ycie; takie testy sà ju˝ stosowane
w badaniach klinicznych do wyszuki-
wania osób zagro˝onych.

Baza danych HGS zawiera obecnie

ponad milion cz´Êciowych sekwencji
cDNA posortowanych w 170 tys. kon-
tigów. Przypuszczamy, ˝e pochodzà
one z niemal wszystkich ulegajàcych
ekspresji ludzkich genów. Sugeruje to
m.in. fakt, ˝e w momencie gdy inni na-
ukowcy wprowadzajà sekwencj´ no-
wych genów do publicznych baz da-
nych, nasze cz´Êciowe sekwencje
obejmujà ponad 95% ich d∏ugoÊci. ¸à-
czenie cz´Êciowych sekwencji cz´sto do-

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1997 69

PROCENT GENÓW zwiàzanych z ka˝dà
z g∏ównych aktywnoÊci typowej komórki
ludzkiej zosta∏ wydedukowany na podsta-
wie 150 tys. cz´Êciowych sekwencji. ˚eby
przypisaç je do danej kategorii, wykorzy-
stano podobieƒstwo do genów ludzkich lub
innych genów o znanej funkcji.

JENNIFER C. CHRISTIANSEN

SYNTEZA

RNA

I BIA¸EK

22%

PODZIA¸

12%

SYGNALIZACJA

12%

OBRONA

12%

METABOLIZM

17%

STRUKTURA

8%

NIEZNANE

17%

prowadza do wykrycia ca∏kiem nowych
genów. Ponad po∏owa z nich przypo-
mina ju˝ znane, którym przypisuje si´
jakàÊ funkcj´. W miar´ up∏ywu czasu
ten odsetek zapewne wzroÊnie.

JeÊli dana tkanka umo˝liwia otrzy-

manie niezwykle wielu sekwencji cDNA
pochodzàcych z tego samego genu,
prawdopodobnie produkuje on du˝e
iloÊci mRNA. Na ogó∏ towarzyszy te-
mu wzmo˝ona synteza odpowiedniego
bia∏ka, co sugeruje, ˝e pe∏ni ono wa˝nà
funkcj´. W HGS zwracamy tak˝e szcze-
gólnà uwag´ na geny, które ulegajà eks-
presji tylko w niewielkiej liczbie tkanek,
poniewa˝ pomogà one w leczeniu cho-
rób dotyczàcych tych w∏aÊnie tkanek.
WÊród tysi´cy wykrytych przez nas
w HGS genów zidentyfikowaliÊmy oko-
∏o 300, które jak si´ wydaje, oka˝à si´
istotne w medycynie.

Nowe geny, nowe leki

Zastosowanie techniki analizy cz´Êcio-

wych sekwencji cDNA do odkrywania
genów po raz pierwszy pozwoli∏o na-
ukowcom na ocen´ iloÊci genów wyko-
rzystywanych przez komórk´ do pe∏nie-
nia ka˝dej z g∏ównych funkcji, na
przyk∏ad obrony, metabolizmu i innych.
Dzi´ki olbrzymiemu zasobowi unikal-
nych informacji uzyskanych z tych se-
kwencji otwierajà si´ mo˝liwoÊci nowych

us∏ug medycznych, systematycznie te-
raz sprawdzane.

Bazy danych takie jak nasze ju˝ udo-

wodni∏y swojà przydatnoÊç w znajdo-
waniu bia∏ek b´dàcych oznakà choro-
by. Dobrym przyk∏adem jest rak
prostaty. Powszechnie stosowany test
mierzy we krwi poziom bia∏ka zwane-
go specyficznym antygenem sterczo-
wym. Pacjenci chorzy na raka prostaty
cz´sto majà niezwykle wysoki poziom
tego bia∏ka. Niestety, podobnie jak z∏o-
Êliwe guzy wymagajàce agresywnej te-
rapii, równie˝ wolno rosnàce, stosun-
kowo ∏agodne nowotwory podwy˝szajà
poziom tego antygenu, dlatego wyniki
testu sà niejednoznaczne.

W HGS zanalizowano mRNA z wie-

lu próbek zdrowej tkanki prostaty, z ∏a-
godnych i z∏oÊliwych guzów. Znaleê-
liÊmy oko∏o 300 genów, które ulegajà
ekspresji wy∏àcznie w tym narzàdzie;
oko∏o 100 z nich jest aktywnych tylko
w guzach, w tym oko∏o 20 – w guzach
okreÊlanych przez patologów jako z∏o-
Êliwe. Wraz z handlowymi partnerami
wykorzystujemy te 20 genów i ich
produkty bia∏kowe do opracowania te-
stów wykrywajàcych z∏oÊliwe nowo-
twory prostaty. W toku sà podobne pra-
ce nad rakiem piersi, p∏uca, wàtroby
i mózgu.

Bazy danych cz´Êciowych sekwencji

DNA pomagajà te˝ w znalezieniu ge-

nów powodujàcych rzadkie choroby.
Od dawna by∏o wiadomo, ˝e pewna for-
ma Êlepoty u dzieci wynika z odziedzi-
czonego defektu w rozk∏adaniu cukru
galaktozy. Dzi´ki przeszukaniu naszej
bazy danych znaleziono dwa wczeÊniej
nie znane geny ludzkie, które jak si´
przewiduje, kodujà bia∏ka o sekwencji
podobnej do znanych enzymów meta-
bolizujàcych galaktoz´ u dro˝d˝y i bak-
terii. Naukowcy szybko potwierdzili,
˝e odziedziczone defekty w ka˝dym
z tych dwóch genów powodujà wspo-
mniany rodzaj Êlepoty. W przysz∏oÊci
enzymy lub same geny b´dà stosowa-
ne do zapobiegania tej chorobie.

Cz´Êciowe sekwencje cDNA sà te˝ im-

ponujàco skutecznie wykorzystywane
do szukania mniejszych czàsteczek, b´dà-
cych kandydatami na nowe leki. Meto-
dy tworzenia i testowania leków, b´-
dàcych najcz´Êciej niewielkimi czàstecz-
kami, w ciàgu ostatnich kilku lat zosta∏y
znacznie usprawnione. Zautomatyzowa-
na aparatura potrafi szybko przeglàdaç
naturalne i syntetyczne zwiàzki pod kà-
tem ich wp∏ywu na ludzkie bia∏ko zwià-
zane z jakàÊ chorobà, ale fakt, ˝e znanych
docelowych bia∏ek jest ma∏o, hamuje po-
st´p. W miar´ badaƒ coraz wi´kszej licz-
by ludzkich bia∏ek tempo prac powinno
wzrosnàç. Ponad po∏owa wskazówek
dotyczàcych potencjalnych produktów
SmithKline Beecham opiera si´ obecnie
na naszych danych.

U∏atwienie losowego przeglàdania

czàsteczek pod kàtem po˝ytecznych ak-
tywnoÊci to jeszcze nie wszystkie korzy-
Êci, jakie daje nasza baza danych. Zna-
jomoÊç struktury bia∏ka umo˝liwia
naukowcom projektowanie leków, które
by w specyficzny sposób z nim oddzia-
∏ywa∏y. T´ metod´, zwanà racjonalnym
projektowaniem leków, zastosowano do
opracowania niektórych nowych inhibi-
torów proteaz, które okaza∏y si´ skutecz-
ne przeciwko wirusowi HIV (choç aku-
rat w tym przypadku nie korzystano
z naszej bazy danych). JesteÊmy przeko-
nani, ˝e cz´Êciowe sekwencje cDNA po-
zwolà farmakologom powszechniej sto-
sowaç racjonalne projektowanie leków.

Jeden przyk∏ad pos∏u˝enia si´ naszà

bazà danych dotyczy osteoklastów, ko-
mórek normalnie obecnych w tkance
kostnej, które produkujà degradujàcy jà
enzym. Jest on syntetyzowany w nad-
miarze w niektórych stanach chorobo-

70 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1997

ROBOT u˝ywany do wykrywania kolonii
bakteryjnych, które pobra∏y ludzki DNA,
umieszczony jest u góry. Ramiona przyrzà-
du pomijajà kolonie w kolorze niebieskim,
które nie zawierajà ludzkiego DNA. Anali-
zujàc sekwencje w bakteriach, naukowcy
potrafià zidentyfikowaç ludzkie geny.

BERND AUERS

wych, na przyk∏ad zapaleniu koÊci i sta-
wów oraz osteoporozie. W naszych
komputerach znaleêliÊmy sekwencj´ dla
genu ulegajàcego ekspresji w osteokla-
stach, który wydawa∏ si´ kodowaç nisz-
czàcy enzym, a sekwencjà przypomina∏
gen kodujàcy enzym rozk∏adajàcy
chrzàstk´. Okaza∏o si´, ˝e nasze przy-
puszczenie co do roli tego genu by∏o
s∏uszne i ˝e nie jest on eksprymowany
w innych tkankach. Odkrycia te znaczy-
∏y, ˝e mo˝na b´dzie znaleêç sposób
przeciwdzia∏ania niszczàcemu enzymo-
wi, nie martwiàc si´, ˝e uszkodzone zo-
stanà inne tkanki. Nast´pnie wyprodu-
kowaliÊmy bia∏ko, a SmithKline Bee-
cham wykorzysta∏ je przy szukaniu
metod leczenia polegajàcym na ∏àcze-
niu wydajnych badaƒ przesiewowych
i racjonalnego projektowania leków. Fir-
ma u˝y∏a tak˝e naszej bazy danych do
szukania czàsteczek, które mo˝na by
stosowaç w leczeniu mia˝d˝ycy t´tnic.

Z medycznego punktu widzenia ist-

nà ˝y∏à z∏ota jest grupa genów kodujà-
cych receptory funkcjonalnie zwiàzane
z bia∏kami G. Receptory te tkwià w ze-
wn´trznej b∏onie komórki i przekazujà
biologiczne sygna∏y od innych komórek
do jej wn´trza. Prawdopodobnie czyn-
niki zdolne do ich hamowania nadawa-
∏yby si´ do leczenia tak ró˝nych chorób,
jak nadciÊnienie, wrzody, migrena, ast-
ma, przezi´bienie i choroby psychiczne.
W HGS znaleziono ponad 70 nowych re-
ceptorów zwiàzanych z bia∏kami G.
Obecnie badamy ich dzia∏anie, wprowa-
dzajàc geny odkrytych przez nas recep-
torów do komórek i sprawdzajàc, jak ko-
mórki, w których ulegajà one ekspresji,
reagujà na ró˝ne bodêce. Dwa szczegól-
nie interesujàce geny produkujà bia∏ka,
które jak si´ wydaje, sà ÊciÊle zwiàzane
z nadciÊnieniem i cukrzycà pojawiajàcà
si´ u doros∏ych (insulinoniezale˝nà). Na-
si partnerzy z przemys∏u farmaceutycz-
nego szukajà ma∏ych czàsteczek, które
powinny hamowaç biologiczne sygna∏y
wysy∏ane przez te receptory.

Wreszcie wyniki uzyskane w HGS

utwierdzajà nas w przekonaniu, ˝e nie-

które z odkrywanych obecnie ludzkich
genów i bia∏ek, byç mo˝e w zmodyfi-
kowanej formie, same zostanà zastoso-
wane jako leki. Wiele ludzkich bia∏ek
ju˝ teraz pe∏ni takà funkcj´: insulina oraz
czynniki krzepliwoÊci krwi dla hemofi-
lityków; u pacjentów poddanych che-
mioterapii stosuje si´ tak˝e bia∏ka sty-
mulujàce produkcj´ krwinek, by przy-
spieszaç rekonwalescencj´.

Jako leki zostanie prawdopodobnie

wykorzystane oko∏o 200 bia∏ek, dla
których ustalono pe∏ne sekwencje ko-
dujàcych ich genów. Zsyntetyzowali-
Êmy wi´kszoÊç z tych bia∏ek i przepro-
wadziliÊmy testy ich aktywnoÊci w
komórkach. Niektóre z nich okaza∏y si´
tak˝e obiecujàce w testach na zwie-
rz´tach. Sà wÊród nich chemokiny,
czàsteczki stymulujàce komórki uk∏a-
du odpornoÊciowego.

Opracowywanie leków nigdy nie b´-

dzie szybkim procesem, poniewa˝ – nie-
zale˝nie od tego, czy sà one genami, bia∏-
kami czy ma∏ymi czàsteczkami – trzeba
je poddaç wielu testom. Jednak cz´Êcio-

we sekwencje cDNA mogà przyspieszyç
proces wyszukiwania kandydatów na
leki. HGS udost´pnia naukowcom
znacznà cz´Êç swej bazy danych, choç
wymaga zgody na udzia∏ w tantiemach
od opracowanych produktów.

Systematyczne stosowanie zautoma-

tyzowanych i skomputeryzowanych
metod odkrywania genów zaznajomi∏o
nas po raz pierwszy z ca∏oÊciowym
obrazem tego, gdzie eksprymowane sà
rozmaite geny, czyli z anatomià eks-
presji ludzkich genów. W dodatku za-
czynamy rozumieç, jakim zmianom
podlega ten proces w stanach chorobo-
wych. Jest jeszcze za wczeÊnie, by prze-
widzieç, kiedy po raz pierwszy lekarze
z sukcesem wykorzystajà t´ wiedz´ w
praktyce. Jednak wed∏ug naszych ana-
liz kilka opracowanych obecnie sposo-
bów leczenia stanie si´ podstawà me-
dycyny XXI wieku.

T∏umaczy∏a

Ewa Bartnik

* W przek∏adzie S. Baraƒczaka (przyp. red.).

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1997 71

Informacje o autorze

WILLIAM A. HASELTINE jest prezesem rady

dyrektorów i dyrektorem zarzàdzajàcym w Hu-

man Genome Sciences w Rockville (Maryland).

Uzyska∏ doktorat z biofizyki w Harvard Uni-

versity i w latach 1976–1993 by∏ profesorem

w Dana-Farber Cancer Institute, Harvard Me-

dical School i Harvard School of Public Health.

Uzyska∏ wiele nagród naukowych za swe prace

nad rakiem i AIDS oraz ponad 50 patentów. Od

1981 roku za∏o˝y∏ osiem firm biotechnologicz-

nych. W 1988 roku wraz z Flossie Wong-Staal

napisa∏ dla Scientific American artyku∏ o biologii

molekularnej wirusa powodujàcego AIDS.

Literatura uzupe∏niajàca

J¢ZYK GENÓW. POZNAWANIE ZASAD DZIEDZICZENIA

. Paul Berg i Maxine Singer; Prószyƒski

i S-ka (w druku).

MUTATION OF A MUTL HOMOLOG IN HEREDITARY COLON CANCER.

N. Papadopoulos, Science, vol. 263,

ss. 1625-1629, 18 III 1994.

MUTATIONS OF TWO PMS HOMOLOGUES IN HEREDITARY NONPOLYPOSIS COLON CANCER.

N. Nicola-

ides i in., Nature, vol. 317, ss. 75-80, 1 IX 1994.

INITIAL ASSESSMENT OF HUMAN GENE DIVERSITY AND EXPRESSION PATTERNS BASED UPON 83 MILLION

NUCLEOTIDES OF cDNA SEQUENCE.

Mark D. Adams i in., Nature, vol. 377, suplement, ss. 3-174,

28 IX 1995.

A cDNA ENCODING THE CALCITONIN GENE-RELATED PEPTIDE TYPE 1 RECEPTOR.

Nambi Aiyar i in.,

Journal of Biological Chemistry, vol. 271, nr 19, ss. 11325-11329, 10 V 1996.

CATHEPSIN K, BUT NOT CATHEPSINS B, L, OR S, IS ABUNDANTLY EXPRESSED IN HUMAN OSTEOCLASTS.

Fred H. Drake i in., Journal of Biological Chemistry, vol. 271, nr 21, ss. 12511-12516, 24 V 1996.

Bia∏ko

AktywnoÊç

Mo˝liwoÊci zastosowania

Czynnik wzrostu

Stymulujà regeneracj´

Gojenie ran, stymulacja wzrostu

keratynocytów

skóry

w∏osów, ochrona przed skutkami
ubocznymi chemioterapii

Bia∏ko 1 hamujàce

Zapobiega niszczeniu

Ochrona przed skutkami

komórki macierzyste komórek szpiku przez

ubocznymi chemioterapii

szpiku

leki chemioterapeutyczne

Czynnik wzrostowy Zapobiega Êmierci

Leczenie choroby Lou Gehriga,

neuronów

neuronów ruchowych

uszkodzenia pourazowego nerwów,

ruchowych

spowodowanej urazami

udaru oraz atrofii mi´Êni
w procesach starzenia

Czynnik hamujàcy

Hamuje wzrost

Leczenie reumatoidalnego

kolonie monocytów

makrofagów

zapalenia stawów oraz innych
chorób autoimmunizacyjnych
i zwiàzanych z makrofagami

NIEKTÓRE Z BIA¸EK LUDZKICH, wytworzonych po odkryciu kodujàcych je genów
w Human Genome Sciences, wykaza∏y silne dzia∏anie w izolowanych komórkach i u zwie-
rzàt doÊwiadczalnych. Podane wy˝ej przyk∏ady podobnie jak wiele innych ludzkich bia-
∏ek testowane sà obecnie w celu okreÊlenia ich wartoÊci medycznej.

JENNIFER C. CHRISTIANSEN