UKRYTY PROGRAM
GENETYCZNY John S. Mattick
Zak"adając, Że u cz"owieka i innych z"oŻonych organizmów
jedynymi czynnikami regulującymi aktywnoĘ� genów
są bia"ka, biolodzy przeoczyli RNA  cząsteczki,
które mog"y mie� decydujący wp"yw na rozwój i ewolucj�
Za"oŻenia mogą by� niebezpieczne, bia"ka, rozdzielonych tzw. sekwencjami
szczególnie w nauce. Pojawiają si� zwykle otaczającymi, dzi�ki którym zachodzi re-
jako najbardziej prawdopodobne i wy- gulacja wyraŻania przyleg"ych genów. U
godne interpretacje dost�pnych faktów. Prokaryota jest co prawda kilka genów
JeĘli nie zostaną natychmiast zweryfi- kodujących cząsteczki RNA pe"niące funk-
kowane, a ich wady nie okaŻą si� zbyt cje regulacyjne, jednak stanowią one nie-
oczywiste, cz�sto stają si� dogmatami, do wielką cz�Ę� puli genowej.
których na si"� dopasowuje si� nowe da- Przez d"ugi czas naukowcy zak"adali,
ne. Ostatecznie, gdy nat"ok niedających Że równieŻ w przypadku organizmów
si� wyjaĘni� informacji staje si� zbyt du- zbudowanych z komórek zawierających
Ży, ortodoksyjna teoria musi upaĘ�. jądra  a wi�c zwierząt, roĘlin i grzybów,
JesteĘmy najprawdopodobniej Ęwiad- okreĘlanych "ącznie mianem Eukaryota
kami takiego punktu zwrotnego w naszym  bia"ka reprezentują i kontrolują ca"ą
rozumieniu, czym w"aĘciwie jest informa- informacj� genetyczną. Pionier nauk bio-
cja genetyczna. G"ówny dogmat biologii logicznych Jacques Monod, podsumowu-
molekularnej, który obowiązuje od jej po- jąc uniwersalnoĘ� panującego powszech-
czątków, czyli juŻ od pó" wieku, stanowi, nie przekonania, stwierdzi" nawet, Że  co
Że w DNA zakodowana jest struktura bia- jest prawdziwe dla bakterii, jest prawdzi-
"ek i w razie zapotrzebowania na konkret- we i dla s"onia .
ne bia"ko kodujący je fragment DNA (gen) Monod jednak si� myli". Coraz wi�cej
najpierw zostaje przepisany (transkrybo- obserwacji wskazuje, Że powszechny do
wany) na cząsteczk� informacyjnego RNA niedawna dogmat jest Ża"oĘnie niekom-
(mRNA) i dopiero ta jest t"umaczona na pletny, jeĘli chcemy za jego pomocą opi-
uk"ad aminokwasów tworzących bia"ko. sa� biologi� molekularną Eukaryota. Oczy-
Ca"oĘ� tego procesu nazywamy wyraŻa- wiĘcie, bia"ka uczestniczą w regulacji
niem genu, a wynikająca z niego wspó"- wyraŻania informacji genetycznej w or-
zaleŻnoĘ�  jeden gen, jedno bia"ko jest ganizmach jądrzastych, jednak oprócz
podsumowaniem g"ównego dogmatu. Ge- nich istnieje równoleg"y system regula-
ny zatem jedynie kodują bia"ka i same nie cyjny, sk"adający si� z róŻnorodnych czą-
wykonują Żadnych prac na rzecz komór- steczek RNA oddzia"ujących bezpoĘrednio
ki  to bia"ka pe"nią wszystkie funkcje z DNA i innymi cząsteczkami regulacyjny-
strukturalne i enzymatyczne. Nietrudno mi. Ta przeoczona sie� regulacyjna zbudo-
wywnioskowa�, Że do tych funkcji naleŻy wana z RNA moŻe by� czynnikiem, który
LUDZIE I BAKTERIE to pod wzgl�dem
równieŻ regulacja wyraŻania genów. pozwoli" ludziom osiągną� strukturalną
skomplikowania struktury i rozwoju
Taka konkluzja wynika z badał
prowa- z"oŻonoĘ� daleko wykraczającą poza
organizmy zdecydowanie odmienne,
dzonych g"ównie na bakteriach i innych wszystko, z czym mamy do czynienia w
a mimo to naukowcy przez d"ugi czas
uwaŻali, Że wykorzystują one te same
Prokaryota (jednokomórkowych organiz- jednokomórkowym Ęwiecie.
mechanizmy kontrolujące wyraŻanie
mach niemających jądra komórkowego). Niektórzy biolodzy są doĘ� sceptycz-
genów. Najnowsze badania pokazują
Dla tych prostych istot pozostaje ona w nie, inni nawet wrogo nastawieni do idei
jednak, Że owa z"oŻonoĘ� jest efektem
zasadzie prawdziwa. Ich DNA sk"ada si� tak gruntownie zmieniającej dotychcza-
dzia"ania dodatkowego programu ukry-
tego w Ęmieciowym DNA. niemal ca"kowicie z genów kodujących sowe poglądy. Jednak by� moŻe dzi�ki no-
LISTOPAD 2004 �WIAT NAUKI 59
wej hipotezie uda si� rozwiąza� wiele nych uzna"a je za ewolucyjne odpadki. gląda natomiast relacja mi�dzy z"oŻo-
od dawna nurtujących nas zagadek do- UwaŻano, Że są pozosta"oĘcią po czasach, noĘcią organizmu a iloĘcią sekwencji
tyczących rozwoju i ewolucji czy opra- kiedy pojawi"o si� Życie na poziomie ko- DNA niekodujących bia"ek  jest ona ra-
cowa� ca"kowicie nowe terapie oddzia- mórkowym i fragmenty sekwencji kodu- czej zgodna.
"ujące na geny. Odkrycie dodatkowego jących bia"ka w prymitywny sposób "ą- Mamy zatem zagadk�: mniej niŻ 1.5%
systemu regulacji moŻe takŻe zrewolu- czy"y si� w pierwsze geny. By� moŻe ludzkiego genomu koduje bia"ka, ale wi�k-
cjonizowa� projektowanie wszelkiego przyczyną przetrwania intronów w or- szoĘ� jest przepisywana na RNA. Albo
rodzaju programowanych z"oŻonych sys- ganizmach z"oŻonych  przypuszczano  genom cz"owieka oraz innych z"oŻonych
temów, zarówno cybernetycznych, jak by"a ich przypadkowa uŻytecznoĘ�: u"a- organizmów jest pe"en niepotrzebnie
i biologicznych. twia"y tasowanie domen bia"kowych w transkrybowanych sekwencji, albo te nie-
nowe, korzystniejsze ewolucyjnie kom- kodujące bia"ek cząsteczki RNA pe"nią
Wsz�dobylskie Ęmieci binacje. Natomiast brak intronów u Pro- nieoczekiwane i bardzo istotne funkcje.
PIERWSZA ZAPOWIEDŁ zmian w rozumie- karyota mia" by� konsekwencją silnej kon- Ten sposób argumentacji oraz powaŻ-
niu informacji genetycznej pojawi"a si� kurencji: w toku ewolucji pozby"y si� one ne dane eksperymentalne mogą Ęwiad-
w roku 1977. Zespó" Phillipa A. Sharpa takich sekwencji, gdyŻ ich obecnoĘ� by- czy�, Że w z"oŻonych organizmach wie-
z Massachusetts Institute of Technology "a zbyt duŻym obciąŻeniem. le genów  w przypadku ssaków by�
moŻe nawet wi�kszoĘ�  nie koduje bia-
"ek, lecz cząsteczki RNA, które pe"nią
Cząsteczki RNA i bia"ek
bezpoĘrednie funkcje regulacyjne [patrz:
W. Wayt Gibbs  Genomowe klejnoty
wspólnie zawiadują informacją genetyczną.
i Ęmieci ; �wiat Nauki, grudzieł
2003 i
 Genom ukryty poza DNA ; �wiat Nauki,
i grupa Richarda J. Robertsa z New En- Jedną z przyczyn, dla których introny styczeł
2004]. Te niedoceniane cząstecz-
gland Biolabs, Inc. udowodni"y, Że prze- oraz inne  bezuŻyteczne sekwencje DNA ki mogą "ączy� poziomy informacyjne
ci�tny gen organizmu eukariotycznego leŻące mi�dzy genami lekcewaŻono i krytyczne dla rozwoju organizmu i mie�
nie jest  tak jak gen Prokaryota  zbudo- uznawano za Ęmieci, by" fakt, Że iloĘ� istotne znaczenie dla ewolucji.
wany z pojedynczego odcinka kodujące- DNA w komórce organizmu niezbyt do-
go ca"e bia"ko i z sekwencji regulacyj- brze koreluje z jego z"oŻonoĘcią. I tak ko- Od pasoŻyta do systemu kontroli
nych po obu jego stronach. U Eukaryota mórki niektórych p"azów zawierają po- WBREW PRZYPUSZCZENIOM, Że introny po-
cz�Ę� genu kodująca bia"ko jest zwykle nad pi�� razy wi�cej DNA niŻ ssacze, a chodzą jeszcze z czasów powstawania
nieciąg"a, podzielona na kawa"ki (zwa- komórki niektórych ameb  nawet tysiąc Życia, dowody zgromadzone obecnie
ne eksonami), mi�dzy którymi znajdują razy wi�cej. Przez dziesi�ciolecia na- wskazują, Że zasiedli"y one geny wyŻ-
si� róŻnej d"ugoĘci wstawki z DNA nieko- ukowcy przypuszczali, Że liczba genów szych organizmów nieco póęniej. Naj-
dującego bia"ek (introny). W jądrze ko- kodujących bia"ka naprawd� nieęle ko- prawdopodobniej powsta"y z pewnego
mórkowym gen jest najpierw w ca"oĘci reluje ze stopniem skomplikowania or- rodzaju samosk"adających si� rucho-
przepisywany na tzw. pierwotny trans- ganizmu, ale porównanie iloĘci DNA te- mych elementów genetycznych podob-
krypt RNA, z którego nast�pnie introny są go nie ujawnia, gdyŻ korelacj� zaburza nych do tych, które obecnie nazywamy
wycinane, eksony zaĘ sk"adane w kom- zmienny balast intronów i innych  Ęmie- intronami grupy II. Elementy te są
pletną cząsteczk� mRNA, wykorzysty- ciowych sekwencji.  pasoŻytniczymi fragmentami DNA,
waną w cytoplazmie jako matryca do Kiedy jednak zsekwencjonowano ge- które mają szczególną zdolnoĘ� wsta-
translacji. Przypuszczano, Że usuni�ty nomy róŻnych organizmów, sta"o si� ja- wiania si� do genomu gospodarza i wy-
intronowy RNA nie pe"ni Żadnych funk- sne, Że nie ma zaleŻnoĘci mi�dzy liczbą cinania si� z transkrybowanego RNA.
cji i ulega degradacji i recyklingowi. konwencjonalnych genów i z"oŻonoĘcią Introny grupy II są tylko sporadycznie
JeĘli jednak introny nie kodują bia"ek, organizmu. Prosty nicieł
Caenorhabdi- znajdowane w genomach bakterii, co
to czemu są tak powszechne u organi- tis elegans, zbudowany jedynie z oko"o jest "atwe do wyt"umaczenia. Bakterie
zmów eukariotycznych, a brak ich u tysiąca komórek, ma 19 tys. genów ko- nie mają jądra komórkowego i w związ-
Prokaryota? Mimo Że stanowią Ęrednio dujących bia"ka, niemal o po"ow� wi�cej ku z tym transkrypcja i translacja są w
95% d"ugoĘci ludzkich genów kodujących niŻ owady (13.5 tys.) i prawie tyle samo ich komórkach sprz�Żone: DNA jest
bia"ka, wi�kszoĘ� biologów molekular- co ludzie (25 tys.). Zupe"nie inaczej wy- przepisywany na RNA, który niemal na-
tychmiast jest t"umaczony na bia"ko. Nie
ma czasu na wycinanie sekwencji intro-
Przegląd / Korekta genetycznego dogmatu
nowych  podczas translacji dochodzi-
n
K"opotliwie duŻa cz�Ę� DNA z"oŻonego organizmu (Eukaryota) nie koduje bia"ek. "oby zatem w pewnym momencie do t"u-
Przez lata naukowcy byli przekonani, Że jest ona ewolucyjnym Ęmieciem.
maczenia intronu, który przecieŻ nie
n
Wed"ug najnowszych danych Ęmieciowy DNA moŻe kodowa� cząsteczki RNA biorące
zawiera informacji o kolejnoĘci amino-
udzia" w regulacji wielu procesów. A zatem wyraŻanie informacji genetycznej
kwasów w bia"ku. Gen zasiedlony przez
w komórkach Eukaryota moŻe by� kontrolowane inaczej niŻ u Prokaryota.
intron straci"by zdolno� kodowania
n
Nowa teoria mog"aby wyjaĘni�, dlaczego z"oŻonoĘ� organizmu nie idzie w parze z liczbą
prawid"owego bia"ka, a to wywo"a"oby
posiadanych przezeł
genów. Ma takŻe powaŻne implikacje dla rozwoju metod
szkodliwe skutki dla jego posiadacza. U
terapeutycznych i projektowania nowych leków.
Eukaryota natomiast transkrypcja od-
60 �WIAT NAUKI LISTOPAD 2004
JEFF JOHNSON (
DNA w tle
); MOREDUN ANIMAL HEALTH LTD/SCIENCE PHOTO LIBRARY (
bakteria
); LENNART NILSSON (
embrion
) (
poprzednie strony
)
bywa si� w jądrze komórkowym, a trans-
lacja w cytoplazmie  rozdzielenie tych
dwu procesów w czasie pozwala na usu-
100 -
ni�cie intronowego RNA. Dzi�ki temu
introny są tolerowane przez eukario-
90 -
tycznych gospodarzy.
80 -
OczywiĘcie dopóty, dopóki introny mu-
70 -
sia"y same wycina� i wbudowywa� si� w
genom, ich sekwencja nie mog"a ulec 60 -
wi�kszym zmianom niŻ w przypadku in-
50 -
tronów grupy II. Nast�pny skok w ich
40 -
ewolucji móg" si� dokona� dzi�ki powsta-
30 -
niu w komórce eukariotycznej struktury
zwanej spliceosomem. Jest to kompleks
20 -
ma"ych katalitycznych cząsteczek RNA
10 -
oraz wielu bia"ek wspó"dzia"ających ze
0 -
sobą podczas wycinania intronów z pier-
ProkaryotaJednokomórkowe Grzyby Bezkr�gowce Strunowce Kr�gowce Ludzie
wotnego transkryptu RNA. Eukaryota i roĘliny
Uwalniając introny od koniecznoĘci
SEKWENCJE NIEKODUJŃCE BIA�EK stanowią niewielką cz�Ę� DNA Prokaryota. WĘród organizmów
samowycinania, spliceosom móg" przy- eukariotycznych istnieje wyraęna zaleŻnoĘ� mi�dzy wi�kszą ich z"oŻonoĘcią a d"ugoĘcią sekwencji, któ-
re nie kodują bia"ek. Cho� sekwencje takie uwaŻano za genomowe Ęmieci, to w rzeczywistoĘci ich ist-
czyni� si� do rozpowszechniania, muto-
nienie pozwala wyjaĘni�, jak dochodzi do sta"ego komplikowania si� budowy organizmu.
wania i ewoluowania ich sekwencji. KaŻ-
da przypadkowa mutacja w sekwencji
intronu, która okaza"a si� korzystna dla precyzyjnie do sekwencji docelowych MoŻna si� takŻe spodziewa�, Że wie-
organizmu gospodarza, mog"a zosta� znajdujących si� na innych cząsteczkach le z owych cząsteczek RNA b�dzie prze-
utrwalona na drodze naturalnej selekcji. RNA lub DNA*. Wskutek oddzia"ywał
twarzanych w ma"e cząsteczki sygna"o-
Intronowy RNA ewoluowa" w ten spo- RNA RNA i RNA DNA powstają struk- we zdolne dociera� do róŻnych punktów
sób niezaleŻnie i równolegle z sekwen- tury przestrzenne przywo"ujące bia"ka docelowych rozmieszczonych w ca"ej
cjami kodującymi bia"ka. Podsumowu- zdolne do przekszta"cenia sygna"u w sieci. I rzeczywiĘcie, u roĘlin, zwierząt
jąc: pojawienie si� intronów u Eukaryota dzia"anie. i grzybów zidentyfikowano setki cząste-
prawdopodobnie zainicjowa"o nową run- Sekwencja nukleotydowa kodująca w czek mikro-RNA powstających z intro-
d� ewolucji na poziomie cząsteczek  tym cząsteczce RNA informacj� o adresacie nów lub z duŻych transkryptów, które
razem jednak nie bia"ek, a RNA. Zamiast nadaje temu systemowi niebywa"ą pre- nie kodują bia"ek. Wiele z nich kontro-
sta� si� molekularnym reliktem, który cyzj�, kojarzącą si� z precyzją zapisu bi- luje kolejnoĘ� procesów zachodzących
początkowo uznaliĘmy za Ęmieci, intro- narnego. Nie b�dzie naduŻyciem, jeĘli podczas rozwoju, jak utrzymywanie ko-
ny mog"y stopniowo uzyskiwa� ca"kowi- stwierdzimy, Że system regulacyjny opar- mórek macierzystych, podzia"y i apop-
cie nowe funkcje realizowane przez RNA. ty na RNA by"by poniekąd naturalnym toza (programowana Ęmier� komórek,
JeĘli hipoteza ta jest prawdziwa, jej systemem cyfrowym. która pozwala na modelowanie tkanek).
znaczenie moŻe by� ogromne. Eukaryota
(szczególnie te bardziej skomplikowane)
Nasze rozumienie mechanizmów regulujących
przypuszczalnie zbudowa"y genetyczny
przep"yw informacji genetycznej okaza"o si�
system operacyjny oraz sieci sygna"owe
daleko bardziej wyrafinowane niŻ sto-
ca"kowitym nieporozumieniem.
sowane przez Prokaryota, gdyŻ cząstecz-
ki RNA i bia"ek są w stanie tworzy� licz- Dowody przemawiające za istnieniem Z pewnoĘcią wi�cej takich ma"ych RNA
ne równoleg"e uk"ady komunikacyjne. systemu regulacyjnego opartego na czą- oczekuje na odkrycie.
Taka organizacja przypomina zaawanso- steczkach RNA są bardzo silne, chociaŻ Sygna"owe RNA, znajdując docelowe
wane systemy przetwarzania danych w nadal fragmentaryczne. JeĘli taki system miejsca na innych cząsteczkach RNA,
sieciach kontrolujących dzia"anie mózgu istnieje, to moŻna si� spodziewa�, Że wie- DNA lub bia"kach, mogą wp"ywa� na
czy komputera. le genów powsta"o wy"ącznie po to, by program genetyczny komórki na wiele
Zadania wymagające olbrzymiej róŻ- wyraŻa� sygna"owe RNA  czynniki re- sposobów, na przyk"ad informując ko-
norodnoĘci, zarówno chemicznej, jak i gulacyjne wyŻszego rz�du. I taka zapew- mórk� o aktywacji konkretnego genu i w
strukturalnej, przypisywane są standar- ne jest prawda: tysiące cząsteczek RNA, ten sposób zapewniając sygna" zwrotny
dowo bia"kom. Jednak w przesy"aniu in- które nigdy nie są t"umaczone na bia"ko pozwalający zainicjowa� procesy dosto-
formacji i regulowaniu aktywnoĘci ge- (niekodujące RNA) zidentyfikowano dzi�- sowawcze. Bardziej istotne jest to, Że
nomu cząsteczki RNA mają nad nimi ki najnowszym analizom transkryptów sygna"owe RNA mogą by� wykorzysty-
pewną przewag�: zbudowane są ze spe- powstających u ssaków. Przynajmniej po- wane jako czynnik uruchamiający wbu-
cyficznych sekwencji przypominających "owa, a moŻe nawet ponad trzy czwarte dowany w genom program, który kon-
ciąg bitów lub kod pocztowy. Taki inte- wszystkich powstających cząsteczek RNA troluje dynamik� wyraŻania wielu
gralny sygna" moŻe kierowa� je bardzo pasuje do tej kategorii. genów. JeĘli tak, to za pomocą sygna"o-
LISTOPAD 2004 �WIAT NAUKI 61
Sekwencje DNA niekodujące bia"ka (procenty)
LUCY READING; ŁRÓD�O: R. J. TAFT I J. S. MATTICK
AKTYWACJA GENÓW: NOWY PUNKT WIDZENIA
WYRA�ANIE GENÓW U PROKARYOTA TRADYCYJNY POGLŃD NA WYRA�ANIE GENÓW U EUKARYOTA
DNA Prokaryota (bakterii i innych prostych organizmów) W DNA Eukaryota (organizmów z"oŻonych) pojedyncze geny sk"adają si� z eksonów
sk"ada si� niemal ca"kowicie z genów kodujących bia"ka.  sekwencji kodujących fragmenty bia"ka, rozdzielonych przez sekwencje niekodujące,
Gdy geny te ulegają aktywacji, są przepisywane na czyli introny. Aktywacja genu powoduje jego przepisanie na cząsteczk� RNA, nast�pnie
cząsteczki mRNA, a te z kolei natychmiast t"umaczone w procesie zwanym sk"adaniem dochodzi do wyci�cia z niej intronów i po"ączenia
na sekwencje aminokwasów tworzących bia"ka. Bia"ka eksonów w ciąg"ą sekwencj� dojrza"ego mRNA. Komórka t"umaczy sekwencj� mRNA
pe"nią róŻne funkcje, m.in. regulują aktywnoĘ� genów. na bia"ko, intronowy RNA zaĘ, który nie pe"ni Żadnej funkcji, ulega degradacji.
Gen kodujący bia"ko Gen kodujący bia"ko
Ekson Intron
Transkrypcja
Transkrypcja
Pierwotny
mRNA
RNA Sk"adanie
Translacja
Degradacja
i recykling
Bia"ko
mRNA
Intronowy RNA
Translacja
Inne funkcje
Bia"ko
Inne funkcje
wych RNA uda"oby si� wyjaĘni� niektó- odcinku chromatyny okreĘla, czy zawar- nemu sk"adaniu: podczas wycinania in-
re wielkie tajemnice okrywające pro- te w nim geny są dost�pne dla enzymów tronów z pierwotnego transkryptu ekso-
cesy róŻnicowania komórek i rozwoju przeprowadzających transkrypcj� czy nie ny "ączą si� na kilka sposobów, dając
organizmu. (i wtedy nie mogą by� wyraŻone, czyli róŻny mRNA, kodujący róŻne produkty
pozostają uĘpione). Na podstawie no- bia"kowe. Zjawisko to ma fundamental-
Regulatory rozwoju wych danych moŻna podejrzewa�, Że sy- ne znaczenie dla rozwoju roĘlin i zwie-
SPÓJRZMY, co si� dzieje podczas rozwo- gna"owe cząsteczki RNA sterują do"ą- rząt, ale nadal nie rozumiemy, jak ko-
ju embrionalnego cz"owieka: pojedyn- czaniem znaczników i w ten sposób mórki wybierają form� mRNA, którą
cza zap"odniona komórka stopniowo wp"ywają na aktywnoĘ� genów. Istotnie, b�dą sk"ada�, i w konsekwencji, jakie
przekszta"ca si� w organizm finezyjnie skomplikowane procesy obejmujące bia"ko b�dą produkowa�. Znaleziono bar-
ukszta"towany z bilionów komórek, pre- chromosomy  mitoza (prosty podzia" ko- dzo ma"o bia"ek biorących udzia" w al-
cyzyjnie rozmieszczonych i pe"niących mórki) i mejoza (tzw. redukcyjny podzia" ternatywnym sk"adaniu specyficznych
rozmaite funkcje. Wzór wyraŻania ge- komórki, w wyniku którego powstają genów, i dlatego naukowcy przypuszcza-
nów odpowiedzialnych za taką trans- plemniki i komórki jajowe)  oraz licz- ją, Że za uruchamianie lub wy"ączanie
formacj� zaleŻy w znacznym stopniu od ne z"oŻone zjawiska genetyczne wydają tego procesu odpowiedzialne są subtel-
dwóch zjawisk: modyfikacji chromatyny si� zaleŻe� od szlaków biochemicznych ne zmiany w uk"adzie ogólnych czynni-
i alternatywnego sk"adania RNA. wp"ywających na przetwarzanie RNA. ków regulujących. Nie ma jednak do-
Chromatyna to materia" tworzący Alternatywne sk"adanie umoŻliwia po- brych dowodów potwierdzających to
chromosomy, który sk"ada si� z DNA po- wstawanie odmiennych cząsteczek RNA domniemanie.
"ączonego z bia"kami. Wewnątrz komór- i bia"ek w komórkach pochodzących z Bardziej prawdopodobne jest, Że bez-
ki do segmentów DNA i do bia"ek chro- róŻnych tkanek tego samego organizmu, poĘrednimi regulatorami tego procesu
matynowych mogą do"ącza� si� ma"e a zatem mających identyczny zestaw ge- są cząsteczki RNA. Dzi�ki niezwykle pre-
znaczniki chemiczne (grupy metylowe i nów. U ssaków wi�kszoĘ� transkryptów cyzyjnemu mechanizmowi wiązania czą-
acetylowe). Ich obecnoĘ� w konkretnym kodujących bia"ka podlega alternatyw- steczki te mogą zaznacza� albo wychwy-
62 �WIAT NAUKI LISTOPAD 2004
Regulacja wyraŻania genów
Regulacja wyraŻania genów
TERESE WINSLOW
NOWE SPOJRZENIE Gen kodujący bia"ko
NA WYRA�ANIE GENÓW
U EUKARYOTA:
Niektóre intronowe RNA,
a nawet pewne obszary
Ekson Intron
Transkrypcja
eksonów dzi�ki oddzia"ywaniu
z DNA lub cząsteczkami RNA
i bia"ek mogą bezpoĘrednio
uczestniczy� w regulowaniu
wyraŻania genów. Modulując Pierwotny
RNA
wytwarzanie bia"ek na róŻnych
Sk"adanie
poziomach przep"ywu informacji
genetycznej, te niekodujące RNA
wzbogacają komórkowy
Degradacja
program zarządzania genami.
i recykling
Intronowy RNA
Po"ączone RNA eksonowe
Przetwarzanie
Przetwarzanie
mRNA
Translacja
Bia"ko
Mikro-RNA
i inne
Niekodujący
RNA
Inne funkcje Inne funkcje Inne funkcje
tywa� okreĘlone fragmenty pierwotnego ty budulcowe, drugie  system odpo- Elementy budulcowe organizmu są
transkryptu RNA i decydowa�, jak splice- wiedzialny za ich w"aĘciwe rozmiesz- oczywiĘcie opisane przez geny kodują-
osom "ączy je w ca"oĘ�. Teori� t� potwier- czenie. Budując dom, musimy okreĘli�, ce bia"ka, ale jak jest zakodowana in-
dza fakt, Że sekwencje DNA na granicy jakich b�dziemy potrzebowali materia- formacja architektoniczna? Biolodzy
intron ekson, gdzie odbywa si� alterna- "ów: cegie", desek i belek, musimy mie� przyj�li, Że instrukcje zbudowania skom-
tywne sk"adanie, prawie nie zmieniają takŻe projekt architektoniczny pokazu- plikowanego organizmu sprowadzają
si� w toku ewolucji. Sztuczny antysen- jący, jak je do siebie dopasowa�. W bio- si� do kombinacji czynników regulacyj-
sowny RNA wiąŻący takie graniczne se- logii, inaczej niŻ w inŻynierii, oba ro- nych znajdujących si� w komórce  tj.
kwencje zmienia wzorzec sk"adania RNA dzaje instrukcji zakodowane są w tym do oddzia"ywał
bia"ek regulacyjnych ze
zarówno w hodowlach komórkowych, samym programie  sekwencji nukle- sobą, z DNA i RNA. A jednak, jak za-
jak i w Żywych organizmach. Jest bar- otydów w DNA. uwaŻy" Daniel C. Dennett z Tufts Uni-
dzo prawdopodobne, Że takie samo zja- Cząsteczki, z których zbudowane są versity, mimo Że taka kombinatoryka
wisko zachodzi in vivo, cho� nie zosta"o róŻne organizmy, są w zasadzie iden- moŻe wygenerowa� niemal nieskoł
czo-
jeszcze zaobserwowane. tyczne zarówno na poziomie osobników, ną liczb� moŻliwoĘci, ogromna ich wi�k-
jak i gatunków. W przybliŻeniu 99% szoĘ� jest przypadkowa i pozbawiona
Kontrola z"oŻonoĘci ludzkich bia"ek ma odpowiedniki my- jakiegokolwiek znaczenia, co jest bar-
ROZWA�ANIA TAKIE prowadzą naturalnie sie. Wiele tych bia"ek ma bardzo podob- dzo k"opotliwe. Podczas rozwoju i ewo-
do bardziej ogólnego pytania: ile i ja- ną struktur� takŻe u innych zwierząt, a lucji organizmy muszą bardzo precyzyj-
kiego rodzaju informacje są niezb�dne te, które biorą udzia" w podstawowych nie kontrolowa� szlaki rozwojowe, które
do zaprogramowania rozwoju z"oŻone- procesach komórkowych, są utrwalane są niezwykle wraŻliwe na wszelkie sy-
go organizmu. Zaprojektowanie skom- ewolucyjnie u wszystkich Eukaryota. Tak gna"y i cz�sto wykorzystują te same ele-
plikowanego obiektu, czy to budynku, wi�c zróŻnicowanie budowy zwierząt menty  pomy"ka moŻe oznacza� Ęmier�.
czy zwierz�cia, wymaga instrukcji to z pewnoĘcią efekt róŻnic w instruk- Stworzy� skomplikowany twór jest "a-
dwóch rodzajów: jedne opisują elemen- cjach architektonicznych. two, jednak zapanowanie nad jego z"o-
LISTOPAD 2004 �WIAT NAUKI 63
Regulacja wyraŻania genów
Regulacja wyraŻania genów
systemów kontrolnych i ich powiązał
,
miR-39 co stwierdzili Marie E. Csete, obecnie
pracująca w School of Medicine Emory
University, i John C. Doyle z California
miR-37
Institute of Technology.
miR-38
Konsekwencje tej regu"y przyprawia-
ją o zawrót g"owy. MogliĘmy dotychczas
miR-36
zupe"nie opacznie rozumie� natur� ge-
miR-40
netycznego programowania oraz przy-
czyn osobniczej i gatunkowej zmienno-
Ęci. Przede wszystkim wi�ksza cz�Ę�
miR-35
genomu z"oŻonych organizmów to nie
Ęmieci, a raczej funkcjonalne elementy
5 5 miR-41
podlegające ewolucyjnej selekcji. Selek-
CZŃSTECZKŃ PREKURSOROWŃ dla wielu róŻnych mikro-RNA (niebieski) jest pierwotny RNA. Wy-
cja ta moŻe by� zarówno negatywna
cinanie owych malutkich cząsteczek RNA moŻe by�  zapisane w strukturze wyjĘciowej cząsteczki.
(niech�tna zmianom, utrwalająca szla-
ki regulacyjne wspólne dla okreĘlonych
ŻonoĘcią jest juŻ bardzo trudne  wy- by� ograniczona raczej przez liczb� nie- grup organizmów), jak i pozytywna (fa-
maga ogromnej iloĘci informacji i czyn- zb�dnych regulacyjnych czynników ge- woryzująca zmiany w celu selekcjono-
ników regulacyjnych. netycznych niŻ przez Ęrodowisko czy wania wariantów sekwencji przynoszą-
Zarówno intuicyjne, jak i matema- czynniki biochemiczne, jak dotąd po- cych gatunkom zróŻnicowane korzyĘci).
tyczne rozwaŻania wskazują, Że z"oŻo- wszechnie sądzono. Wniosek ten zgod- NajĘwieŻszą niespodzianką jest za-
noĘ� uk"adu regulacyjnego musi wzra- ny jest z faktem, Że Życie na Ziemi przez wartoĘ� genomu kr�gowców: tysiące
sta� znacznie szybciej, niŻ komplikuje wi�kszą cz�Ę� swej historii sk"ada"o si� sekwencji niekodujących, które prze-
si� struktura regulowanego systemu. wy"ącznie z mikroorganizmów. Najwi- trwa"y wiele milionów lat w praktycznie
Stąd gdy system staje si� coraz bardziej doczniej mnoŻenie oddzia"ywał
mi�dzy niezmienionym stanie. Owe sekwencje
z"oŻony, coraz wi�ksza jego cz�Ę� musi bia"kami nie wystarcza do pokonania są znacznie silniej utrwalone niŻ te, któ-
by� przeznaczona do regulowania. Ta bariery z"oŻonoĘci. re kodują bia"ka, czego kompletnie si�
nieliniowa, najcz�Ęciej kwadratowa za- Eukaryota rozwiąza"y ten problem. Lo- nie spodziewano. Mechanizm powodu-
leŻnoĘ� mi�dzy regulacją a elementa- gika i dost�pne dane sugerują, Że rozkwit jący ich utrwalenie jest nieznany, ale
mi wykonawczymi wydaje si� cechą wielokomórkowych organizmów w cią- krał
cowa niezmiennoĘ� sugeruje, Że są
wszystkich zintegrowanych systemów. gu ostatniego miliarda lat by" konsekwen- one istotnymi elementami z"oŻonych sie-
ci warunkujących nasze funkcjonowa-
nie. Dlatego teŻ, zamiast uznawa�, Że ge-
Zwi�kszanie z"oŻonoĘci organizmu jest proste,
nom cz"owieka i innych z"oŻonych
organizmów jest oazą sekwencji kodują-
jej kontrola wprost przeciwnie.
cych bia"ka na pustyni Ęmieciowego
DNA, powinniĘmy raczej przyją�, Że ma-
Dlatego teŻ wszystkie takie systemy cją przejĘcia na nowy system kontrolny, my do czynienia z wysepkami informacji
mają wewn�trzny limit z"oŻonoĘci na- którego architektura opiera"a si� g"ów- opisującej bia"kowe elementy, leŻącymi
rzucony przez wydajnoĘ� systemów nie na endogennych  cyfrowych sygna- na morzu informacji regulującej ich dzia-
kontrolnych. "ach w postaci sekwencji RNA. Mog"oby "anie. Wi�kszo� tej informacji jest prze-
Zgodnie z tym przewidywaniem liczba to wyjaĘni� zjawisko eksplozji kambryj- kazywana za pomocą cząsteczek RNA.
bia"ek regulacyjnych u Prokaryota wzra- skiej sprzed oko"o 525 mln lat, kiedy to z Istnienie duŻego systemu regulacyjne-
sta z kwadratem wielkoĘci genomu. Po- bardzo prostych form Życia nagle rozwi- go opartego na cząsteczkach RNA ma
nadto ekstrapolacja takiej zaleŻnoĘci po- ną" si� zdumiewający róŻnorodnoĘcią takŻe istotne znaczenie dla farmakologii,
kazuje, Że punkt, w którym liczba nowych form Ęwiat bezkr�gowców. Takie uj�cie projektowania leków i wszelkich badał

czynników regulacyjnych przewyŻszy problemu implikuje istnienie ogólnej genetycznych. Klasyczne choroby gene-
liczb� nowych funkcjonalnych genów, regu"y wykraczającej znaczeniem poza tyczne, jak mukowiscydoza i talasemia, są
jest blisko obserwowanego górnego limi- biologi�: zorganizowana z"oŻonoĘ� jest spowodowane katastrofalnymi uszkodze-
tu wielkoĘci genomu bakterii. funkcją regulującej ją informacji  i prak- niami elementów budulcowych: jedno z
A zatem w toku ewolucji z"oŻonoĘ� tycznie we wszystkich systemach eska- tysi�cy bia"ek po prostu nie dzia"a pra-
organizmów prokariotycznych mog"a lacja z"oŻonoĘci wynika z doskonalenia wid"owo. Jednak podatnoĘ� na wiele in-
nych chorób genetycznych okaŻe si�
prawdopodobnie związana z genetycz-
JOHN S. MATTICK urodzi" si� i dorasta" w Sydney, obecnie jest profesorem biologii moleku-
ną zmiennoĘcią czynników regulacyjnych
larnej w University of Queensland i dyrektorem Institute for Molecular Bioscience. Wcze-
kontrolujących wzrost i róŻnicowanie,
Ęniej kierowa" fundacją Australian Genome Research Facility. Jest twórcą pierwszej austra-
zapisanych w rejonach genomu nieko-
lijskiej szczepionki uzyskanej metodami inŻynierii genetycznej. W 2001 roku Mattick otrzyma"
dujących bia"ek. Ich zidentyfikowanie
tytu" kawalera Orderu Australii, a w 2003 roku zosta" odznaczony przez australijski rząd
metodami epidemiologii molekularnej
Medalem Stulecia.
64 �WIAT NAUKI LISTOPAD 2004
O AUTORZE
ALICE CHEN; ZA: NELSON C. LAU I IN.;
SCIENCE
, TOM 294; 26 X 2001
 Zwierz�ta RoĘliny Grzyby
Powstanie nowego
systemu regulacyjnego?
Jednokomórkowce
Jednokomórkowe Eukaryota
Wielokomórkowce
Eubakterie
Archebakterie
4000 3000 2000 1000 TeraęniejszoĘ�
Czas (miliony lat temu)
JEDNOKOMÓRKOWE ORGANIZMY, g"ównie
nym. Ponadto w lipcu tego roku zespó" projektowania systemu zdolnego do sa-
Prokaryota, panowa"y na Ziemi przez miliardy
Ereva Y. Levanona z Compugenu poin- mopowielania i samoprogramowania, a
lat. Z chwilą pojawienia si� wielokomórkow-
formowa" o fascynującym odkryciu do- to oznacza"oby stworzenie sztucznego
ców stopieł
skomplikowania organizmów Ży-
tyczącym zjawiska edytowania A-w-I Życia i sztucznej inteligencji. To, co jesz-
wych i ich róŻnorodnoĘ� zacz�"y narasta� w
osza"amiającym tempie. Jedynym wyt"umacze- (adenozyna-w-inozyn�), w którym se- cze do niedawna, z braku zrozumienia,
niem tego zjawiska jest powstanie dodatkowe-
kwencja RNA ulega zmianom w bardzo b"�dnie uwaŻaliĘmy za Ęmieci, okaza"o
go systemu regulującego wyraŻanie genów.
specyficznych rejonach. Naukowcy za- si� kluczem do wyjaĘnienia z"oŻonoĘci
demonstrowali, Że edytowanie trans- cz"owieka i przewodnikiem do progra-
n
b�dzie nie"atwe (cho� niekodujące RNA kryptów RNA metodą A-w-I jest u ludzi mowania z"oŻonych systemów.
zosta"y juŻ powiązane z kilkoma scho- o dwa rz�dy wielkoĘci powszechniejsze,
rzeniami: ch"oniakiem limfocytów B, ra- niŻ początkowo si� wydawa"o, i w prze- * Mi�dzy kwasami nukleinowymi (RNA i DNA) a
bia"kami istnieje zasadnicza róŻnica w sposobie wią-
kiem p"uc i gruczo"u krokowego oraz waŻającej cz�Ęci zachodzi w sekwen-
zania innych cząsteczek. Wiązania mi�dzy ni�mi
autyzmem i schizofrenią), a jeszcze trud- cjach powtórzonych  tzw. elementach
DNA opierają si� na zjawisku komplementarnoĘci,
czyli parowania nukleotydów wed"ug Ęcis"ej regu"y,
niejsza b�dzie zapewne naprawa znale- Alu leŻących w obszarach niekodu-
jak to wyjaĘni" model struktury DNA opisany przez
zionych defektów. Jednak rozszyfrowanie jących. Edytowanie A-w-I zachodzi
Watsona i Cricka. JeĘli w okreĘlonym miejscu jednej
nici jest nukleotyd C, to na drugiej musi by� w tym
dzia"ania nowego systemu regulacyjne- szczególnie intensywnie w mózgu, a je-
miejscu G, a jeĘli na jednej jest A, to na drugiej mu-
go moŻe okaza� si� kluczowe dla zrozu- go nieprawid"owy przebieg wiązany jest
si by� T. W przypadku RNA nukleotyd T jest zast�-
powany przez U i regu"a ulega pewnemu rozluęnie-
mienia naszej fizycznej i psychicznej od- z ca"ą gamą schorzeł
, w tym padaczką
niu, gdyŻ U moŻe parowa� si� nie tylko z A, ale takŻe
miennoĘci, jak równieŻ zmiennoĘci i depresją.
z G. Niemniej kolejnoĘ� nukleotydów w "ał
cuchu
osobniczej roĘlin i zwierząt. MoŻe oka- Edytowanie RNA do pewnego stopnia pozwala jednoznacznie przewidzie�, z jakim RNA
lub DNA ten "ał
cuch moŻe si� związa�. Dla krót-
za� si� takŻe wst�pem do opracowania zachodzi u wszystkich zwierząt, jednak
kiej sekwencji nukleotydowej (takiej jak siRNA) juŻ
nowych, wyrafinowanych metod tera- elementy Alu są charakterystyczne dla niezgodnoĘ� jednego nukleotydu zaburza lub unie-
moŻliwia wiązanie. MoŻna to porówna� do jedno-
peutycznych oraz technik genetycznego naczelnych. Rodzi si� intrygujące przy-
znacznoĘci dzia"ania uk"adów cyfrowych lub pre-
ulepszania gatunków. puszczenie, Że migracja sekwencji po- cyzji adresowania przesy"ki przez podanie kodu
pocztowego. Z bia"kami jest inaczej. Aminokwasy, w
Oprócz intronów przedstawicielami wtórzonych Alu do genomu naczelnych
odróŻnieniu od nukleotydów, nie tworzą sta"ych par
genomowych Ęmieci  zajmującymi umoŻliwi"a im podwyŻszenie poziomu
ani ze sobą, ani z nukleotydami, gdyŻ mogą oddzia-
"ywa� ze sobą na wiele sposobów  np. aminokwa-
oko"o 40% naszego genomu  są trans- przetwarzania RNA, co z kolei pozwoli-
sy na"adowane dodatnio i ujemnie przyciągają si�
pozony i inne ruchome elementy DNA. "o na bardziej dynamiczne i plastyczne
wzajemnie, aminokwasy mające boczne grupy w�-
glowodorowe (które są silnie hydrofobowe) zbijają
Sewencje te są powszechnie uwaŻane programowanie obwodów neuronalnych.
si� w grupki dla ochrony przed cząsteczkami wo-
za molekularne pasoŻyty, które jak in- To mog"o po"oŻy� fundament pod pami��
dy, mi�dzy aminokwasami mogą teŻ powstawa� s"a-
be wiązania wodorowe lub bardzo trwa"e mostki
trony skolonizowa"y genom, pojawiając i struktury poznawcze wyŻszego rz�du u
siarczkowe (te ostatnie tylko mi�dzy cysteinami).
si� falami w róŻnych okresach ewolu- cz"owieka wspó"czesnego.
Dzi�ki tym oddzia"ywaniom "ał
cuchy aminokwa-
sów spontanicznie zwijają si� w zwarte k"�bki, a
cyjnej historii. Jak wszyscy imigranci w Ostatecznie zrozumienie zaleŻnoĘci
k"�bki z kolei mogą wiąza� si� ze sobą. Nie sposób
pierwszej chwili mog"y by� niemile wi- wewnątrz rozszerzonego i wyrafinowane-
tu jednak znaleę� prostej i jednoznacznej regu"y
dziane, ale gdy juŻ zadomowi"y si� w go uk"adu regulującego dzia"anie genomu wiązania, si"a wiązania zaĘ zaleŻy w szerokich gra-
nicach od stopnia dopasowania partnerów  taka
genomie, one same oraz ich pochodne z"oŻonego organizmu moŻe pozwoli� na
ciąg"oĘ� zjawiska jest z kolei typowa dla uk"adów
stopniowo stawa"y si� cz�Ęcią dynamicz- realizacj� szczególnego wyzwania  za- analogowych, a nie cyfrowych.
nie zmieniającego si� uk"adu, umoŻli-
wiając jego ewolucj�.
JE�LI CHCESZ WIEDZIE� WIóCEJ
Mocne, cho� fragmentaryczne dowo-
Challenging the Dogma: The Hidden Layer of Non-Protein-Coding RNAs In Complex Organisms.
dy przemawiają za tym, Że transpozo-
John S. Mattick; BioEssays, tom 25, nr 10, s. 930-939, X/2003.
ny u"atwi"y ewolucj� i Że mają udzia" w
Noncoding RNAs: Molecular Biology and Molecular Medicine. Red. J. Barciszewski i V. A. Erd-
mann; Landes Bioscience/Eurekah, Georgetown TX, 2003.
regulacji dzia"ania genomu wyŻszych
Darwin s Dangerous Idea. Daniel Dennett; Simon Schuster, 1995.
organizmów, a mogą teŻ odgrywa� klu-
Wi�cej informacji oraz list� publikacji moŻna b�dzie znaleę� na powstającej stronie internetowej
czową rol� w dziedziczeniu epigenetycz- autora: http://imb.uq.edu.au/groups/mattick
LISTOPAD 2004 �WIAT NAUKI 65
Stopieł
skomplikowania organizmów
LUCY READING