Klonowanie zwierząt ciągle przypomina działanie na oślep. Jądro dorosłej komórki klonowanego organizmu po wprowadzeniu do komórki jajowej jest jakoś przeprogramowywane, żeby mogło kierować rozwojem nowego organizmu. Nie mamy pojęcia, na czym polega to przeprogramowanie informacji genetycznej - ale już wiemy, że ten proces nie jest doskonały.

Okazało się, że aktywność kilku genów jest poważnie rozregulowana w komórkach sklonowanych myszy. Takie nieprawidłowości dotyczą pewnych genów, których ekspresja jest kontrolowana przez metylację DNA. Autorzy pracy uważają, że te tajemnicze zaburzenia aktywności genów mogą być przyczyną dużej śmiertelności i wad wrodzonych klonowanych zwierząt.

Chyba lepiej jeszcze nie próbować klonowania ludzi - nie tylko z powodu wątpliwości moralnych...

Klonowanie

- polega na wytworzeniu kopii całego organizmu wielokomórkowego na podstawie materiału genetycznego znajdującego się w DNA pojedynczej komórki somatycznej. Jak wygląda przepis na klonowanie? Jądro komórki somatycznej wprowadza się do innej komórki, którą wcześniej trzeba pozbawić własnego jądra komórkowego. Z takiej komórki powstaje zarodek, a z zarodka powinien rozwinąć się dojrzały organizm.

W 1996 roku po raz pierwszy w historii udało się sklonować ssaka. Tym ssakiem była owca, której naukowcy nadali imię Dolly. Od tego czasu stworzono klony wielu innych gatunków ssaków, między innymi myszy, świń i krów.

Dlaczego naukowcy tak długo nie potrafili sklonować ssaka? W komórkach wyższych organizmów niektóre geny są potrzebne do prawidłowego rozwoju zarodka, ale w komórkach somatycznych dojrzałego organizmu ulegają metylacji i w ten sposób ich ekspresja zostaje nieodwracalnie zahamowana. Oprócz tego istnieją różnice w metylacji pewnych genów przenoszonych przez plemniki i komórki jajowe. Można sobie wyobrazić dwie kopie genów o takiej samej sekwencji nukleotydów, ale różniące się stopniem metylacji: kopia znajdująca się w plemniku ulega metylacji w większym stopniu, niż kopia obecna w komórce jajowej. W takiej sytuacji tylko kopia przekazywana przez komórkę jajową będzie ulegała ekspresji w zygocie; gen przeniesiony przez plemnik pozostanie nieaktywny. Zmiany metylacji DNA komórki oraz inne, nie do końca poznane mechanizmy molekularne powodują, że jądro komórkowe komórki somatycznej nie potrafi kierować rozwojem zarodka po wprowadzeniu do zygoty pozbawionej własnego jądra komórkowego.

Komórki somatyczne wykorzystane do klonowania owcy Dolly były wcześniej hodowane in vitro w warunkach, które spowodowały ich zatrzymanie w fazie G0 cyklu komórkowego. Jądra pobrane z tych komórek zostały wprowadzone do komórek jajowych (a nie do zygot). Okazało się, że w takiej sytuacji ekspresja genów w jądrze komórkowym ulega przeprogramowaniu i jądro komórkowe z powodzeniem może sterować rozwojem zarodka - aż do powstania dojrzałego organizmu wielokomórkowego. Jednak laboratoryjna technika klonowania ma jeszcze bardzo niską wydajność: w przypadku owcy Dolly tylko jedna próba z 277 zakończyła się powodzeniem.

Warto wiedzieć o tym, że klon uzyskany w ten sposób nie jest stuprocentową kopią genetyczną organizmu, od którego pobrano jądro komórkowe: do komórki jajowej nie przeniesiono mitochondriów, które też mają własny materiał genetyczny.

Obecnie trudno jeszcze ocenić, w jaki sposób klonowanie może zostać zastosowane w przyszłości. Być może klonowanie zostanie wykorzystane do kopiowania dużej ilości takich samych transgenicznych zwierząt, które produkowałyby białka przydatne do leczenia chorób ludzi; do wytwarzania organów przeznaczonych na przeszczepy, które nie byłyby odrzucane przez organizm biorcy, do leczenia bezpłodności...

Regulacja ekspresji genów

- Ekspresja genu to inaczej ujawnienie obecności tego genu w komórce. W przypadku genów kodujących białka oznacza to, że informacja zapisana w genie jest odczytywana w procesie transkrypcji, a wytworzony mRNA jest wykorzystywany do produkcji białka (translacji). Pojawienie się nowego białka (które może być na przykład enzymem) wpływa na przebieg procesów metabolicznych komórki.

Tylko niektóre geny komórki są przez cały czas aktywne. Ekspresja większości genów jest dokładnie regulowana. Niektóre geny znajdujące się w jądrze komórkowym nie są odczytywane, dopóki w komórce nie pojawią się czynniki transkrypcyjne, które uaktywniają ekspresję tych genów. W innych sytuacjach komórka może wyłączać ekspresję genów, które jeszcze przed chwilą były odczytywane. Mówiąc ogólnie, komórka potrafi wybierać z całego materiału genetycznego odpowiednie geny, które w danej chwili powinny być wykorzystane, i wzmacniać albo hamować ich ekspresję.

Regulacja ekspresji genów stwarza możliwość szybkiego reagowania na zmieniające się warunki środowiska, w którym żyje komórka. Na przykład nagłe zwiększenie temperatury spowoduje uaktywnienie ekspresji genów kodujących odpowiednie białka opiekuńcze, chroniące inne białka przed denaturacją cieplną.

Wszystkie komórki somatyczne dysponują takim samym zestawem genów, ponieważ powstają w wyniku podziałów mitotycznych jednej komórki macierzystej (zygoty). Jednak komórki wątroby różnią się wyglądem i funkcją od komórek naskórka. Dzieje się tak dlatego, że komórki należące do poszczególnych tkanek różnią się zestawem genów ulegających ekspresji. Niektóre geny są aktywne tylko podczas rozwoju zarodkowego danego organizmu, a później ich ekspresja jest na stałe wyłączana.

Jedną z metod kontrolowania ekspresji genu jest metylacja odpowiednich sekwencji w obrębie tego genu. Zaburzenia metylacji i wynikające z nich nieprawidłowości ekspresji genów są jedną z przyczyn powstawania komórek nowotworowych.

Etyka klonowania

Czy klonowanie ludzi powinno być prawnie zakazane?

Czy tworzenie genetycznych kopii człowieka jest sprzeczne z zasadami etyki?

Eksperymenty związane z klonowaniem zwierząt, szczególnie stworzenie owieczki Dolly, wywołały gorącą dyskusję o etyce klonowania ludzi. Większość ludzi kategorycznie potępia klonowanie, twierdząc, że powstawanie istot ludzkich drogą bezpłciową byłoby atakiem na godność i wolność człowieka. Według nich klonowanie powinno być zakazane. Inni uważają, że wytwarzanie genetycznych kopii osobników gatunku ludzkiego mogłoby w pewnych warunkach znaleźć racjonalne i filozoficzne uzasadnienie. Ja zaliczam się do tej drugiej grupy. Chciałbym w moim artykule przedstawić argumenty zwolenników klonowania i przeanalizować je pod względem filozoficznym i etycznym.

Naukowy horror?

W 1997 roku Ian Wilmut ze szkockiego Roslin Institute po raz pierwszy w historii nauki udowodnił, że można stworzyć klon (genetyczną kopię) ssaka: owca Dolly, która powstała dzięki doświadczeniom Wilmuta, jest genetyczną kopią innej owcy. Od tego czasu naukowcom udało się sklonować również inne zwierzęta, m.in. myszy. Wielu ludzi przyjęło narodziny Dolly z lękiem i niepewnością, uważając, że sklonowanie owcy może stać się wstępem do prób klonowania człowieka. Wrzawa w mediach stała się jeszcze głośniejsza, kiedy Richard Seed, naukowiec z Chicago, publicznie zadeklarował, że spróbuje klonować ludzi, żeby pomóc małżeństwom, które nie mogą mieć dzieci, ale mogą pokryć koszty eksperymentu.

Czy tworzenie genetycznych kopii ludzi rzeczywiście jest czymś, czego powinniśmy się bać?

Według wielu biologów i filozofów: nie. Ich zdaniem, przeciwnicy klonowania nie potrafią logicznie uzasadnić swoich poglądów - być może kieruje nimi irracjonalny strach przed naukowcami produkującymi setki tysięcy identycznych, ślepo posłusznych swemu władcy klonów (warto wyraźnie zaznaczyć, że produkcja takich genetycznych mutantów jest całkowicie niemożliwa pod względem naukowym). Stworzenie drugiego krwiożerczego Hitlera również byłoby niemożliwe, nawet gdyby jego materiał genetyczny był dostępny (nie tylko geny decydują o naszej osobowości; człowiek, w którego komórkach byłoby DNA Hitlera, mógłby nie mieć żadnych cech charakteru przywódcy III Rzeszy).

Jednak politycy nie mają wątpliwości: są pewni, że klonowanie człowieka powinno być zabronione.

Polityka a klonowanie

Kilka dni po ogłoszeniu wyników badań Wilmuta prawnicy rozpoczęli dyskusję o legalności klonowania. W parlamencie brytyjskim członkowie Komitetu do Spraw Nauki i Technologii spotkali się z naukowcami z Roslin oraz z ekspertami w dziedzinie embriologii i zapłodnienia ludzkiego. Członkowie Komitetu zaakceptowali klonowanie zwierząt w celach naukowych i leczniczych (takim celem mogłoby być np. uzyskanie zwierząt wytwarzających ludzkie białka, takie jak czynniki krzepnięcia krwi) i nie wykluczyli tworzenia klonów komórek człowieka, które mogłyby pozwolić na uzyskanie genetycznie identycznych przeszczepów (takie tkanki nie byłyby niszczone przez układ odpornościowy pacjenta, więc chorzy nie musieliby przyjmować toksycznych leków, które hamują aktywność limfocytów i zmniejszają ryzyko odrzucenia przeszczepu, ale jednocześnie zwiększają ryzyko zakażeń i nowotworów). Członkowie Komitetu stwierdzili jednak, że ...sztuczne wytwarzanie istot ludzkich... nie powinno być tolerowane. Inni parlamentarzyści uważają, że w żadnym wypadku nie powinno się pozwalać na kopiowanie komórek człowieka.

11 marca 1997 roku Parlament Europejski zwołał sesję specjalną, na której członkowie różnych stronnictw politycznych doszli do wniosku, że wszelkie badania nad klonowaniem ludzi powinny być prawnie zabronione. Kilka miesięcy później w Strasburgu członkowie Rady Europy stwierdzili, że nie można pozwolić na tworzenie ludzi, którzy byliby pod względem genetycznym tacy sami, jak inni ludzie - żywi lub martwi.

Bill Clinton uważa, że próby sklonowania istot ludzkich, nie zostaną pod względem moralnym przyjęte przez społeczeństwo; są tak niebezpieczne dla dziecka, że nie mogą być akceptowane.

Parlament Europejski twierdzi, że klonowanie ludzi w żadnym wypadku nie może być usprawiedliwione ani tolerowane przez społeczeństwo. Jest poważnym pogwałceniem podstawowych praw człowieka oraz zasady równości istot ludzkich, ponieważ pozwala na eugeniczną i rasistowską selekcję osobników ludzkich, obraża godność człowieka i wymaga przeprowadzania doświadczeń na ludziach (...) Każdy człowiek ma prawo do swojej genetycznej tożsamości. Klonowanie ludzi jest i musi pozostać zabronione.

Doktor Hiroshi Nakajima, przewodniczący Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), uważa, że klonowanie ludzi jest niemożliwe do zaakceptowania pod względem etycznym, bo pogwałciłoby pewne podstawowe zasady, które muszą być respektowane przez lekarzy przeprowadzających sztuczne zapłodnienie. Do takich zasad należy szacunek dla godności istot ludzkich oraz zapewnienie bezpieczeństwa ludzkiego materiału genetycznego.>/p>

Według Międzynarodowego Komitetu Bioetyki UNESCO genom człowieka musi zostać zachowany jako wspólne dziedzictwo ludzkości.

Inne autorytety opisują klonowanie jako metodę masowej zagłady, twierdząc, że dokładnie pasuje do wizji świata, jaką miał Adolf Hitler.

Jednak niektórzy naukowcy uważają, że takie twierdzenia nie opierają się na racjonalnych argumentach i zostały wzięte z powietrza, żeby usprawiedliwić pierwszą reakcję ludzi, którzy usłyszeli o klonowaniu.

Atak na godność ludzką?

Doktor Nakajima z WHO i Parlament Europejski twierdzą, że klonowanie, które miałoby doprowadzić do stworzenia nowych ludzi, jest atakiem na godność ludzką i że wszyscy jesteśmy moralnie zobowiązani do obrony naszych boskich cech. Nie wiadomo jednak dokładnie, co konkretnie miałoby być zagrożeniem ludzkiej godności. Może chodzi o kopiowanie czyjegoś materiału genetycznego? Jeśli tak - to czy godność jednego bliźniaka jednojajowego jest zagrożona przez istnienie drugiego bliźniaka? Axel Kahn, były kierownik Laboratorium INSERM w Cochin Institute of Molecular Genetics w Paryżu, spróbował usprawiedliwić zakaz klonowania człowieka w sposób filozoficzny: Stworzenie klonów ludzkich byłoby z punktu widzenia filozofa niemożliwe do pogodzenia z jedną z zasad etycznych Kanta. Według tej zasady, człowiek nigdy nie powinien być traktowany tylko jako środek prowadzący do osiągnięcia celu, ale jako sam cel.

Żeby ocenić, czy Kahn ma rację, trzeba poznać podstawowe zasady filozofii Kanta.

Kant a godność ludzka

Według Immanuela Kanta człowiek jest wolny, kiedy impulsem do jego działania jest obiektywny rozum - motywy osobiste nie powinny wpływać na działanie umysłu. Wolny człowiek odrzuca wszystkie niskie motywy, instynkty i pragnienia; zamiast nich odwołuje się do motywów racjonalnych.

Kant sformułował twierdzenia składające się na Prawo Moralne, które pozwala ocenić, czy człowiek zachowuje się w sposób moralny, czy niemoralny. Pierwsze z tych twierdzeń mówi:

Działaj tak, jak gdyby zasada twojego działania miała się stać z twojej woli powszechnym prawem natury.

Zgodnie z tym twierdzeniem każde zachowanie, które, gdyby zostało upowszechnione, prowadziłoby do jedności i harmonii na całym świecie, jest moralne, a nawet konieczne.

Oto drugie twierdzenie Kanta (mówiące o szacunku dla godności ludzkiej):

Postępuj tak, żeby człowieczeństwo twoje i innych nigdy nie było tylko środkiem do osiągnięcia celu; niech człowieczeństwo będzie celem, do którego zmierzasz. Właśnie to twierdzenie Kanta zostało wykorzystane przez Axela Kahna, który twierdzi, że klonowanie powinno zostać zabronione.

Człowiek, istota wolna, myśląca i zdolna do samodzielnego działania, potrafi odróżniać postępowanie moralne od niemoralnego. Według Kanta podstawami człowieczeństwa, które tworzą największą różnicę pomiędzy ludźmi a zwierzętami, są właśnie zdolność do myślenia i wolna wola. Te cechy są tak cenne, że jeśli traktuje się kogoś jako środek do osiągnięcia celu, a nie jako cel sam w sobie, działa się w sposób niemoralny.

Podsumowując, Immanuel Kant podkreśla, że źródłem wartości moralnych jest niezależna wola człowieka kierującego się rozumem, więc każdy człowiek zasługuje na szacunek. Ostatecznym efektem praktycznego zastosowania postulatów moralnych Kanta jest powstanie królestwa, w którym nikt nie jest wykorzystywany przez innych ludzi jako środek do osiągnięcia ich osobistych celów.

Jeśli człowiek nie może sam decydować o sobie i posługiwać się umysłem, jego prawo do godności i autonomii zostaje naruszone.

Czy klonowanie człowieka naprawdę jest sprzeczne z zasadami etycznymi Immanuela Kanta?

Człowieczeństwo: cel sam w sobie

Wypowiedź A. Kahna jest skierowana do ludzi, którzy dysponują umysłem i niezależną wolą, nie do sklonowanych embrionów, które jeszcze nie mogą zachowywać się w sposób autonomiczny. Uważam, że jeśli istota powołana do życia dzięki klonowaniu potrafi korzystać z rozumu i ma wolną wolę, metoda stworzenia tej istoty jest albo nieważna moralnie, albo mniej ważna od innych czynników filozoficznych. A czy sytuacja, w której bezpłodna para małżeńska nie może mieć dzieci, bo klonowanie zostało zakazane - nie jest zaprzeczeniem godności ludzkiej? Czy Axel Kahn nie pozwoliłby rodzicom na stworzenie klonu dziecka, które zmarło w wypadku? David Shapiro, członek Rady Bioetyki Nuffield, zastanawia się, czy Kahn stwierdziłby, że dziecko, które powstało wskutek klonowania na prośbę bezpłodnego małżeństwa, rzeczywiście jest traktowane tylko jako środek do osiągnięcia celu. Shapiro nie ma też pojęcia, dlaczego taki przypadek według Kahna różni się od stosowania sztucznego zapłodnienia.

Kahn twierdzi również, że jednym ze składników godności ludzkiej jest autonomia, rozumiana między innymi jako brak możliwości wyznaczania cech danej istoty przez innych ludzi. Na Ziemi nie ma nikogo, kto wyglądałby tak, jak ktoś inny sobie wyobrażał albo planował. Dzieci powstałe na zasadzie rozmnażania bezpłciowego stworzyłyby nową kategorię ludzi: ich wygląd byłby wynikiem genetycznego makijażu przeprowadzanego przez innych. Doprowadziłoby to do stworzenia nowego rodzaju zależności pomiędzy "stworzonym" a "stwórcą"; miałoby to bezpośredni wpływ na kwestię ludzkiej godności.

Trzeba jednak pamiętać, że nikt nie potrafiłby przewidzieć wyglądu jakiegokolwiek człowieka stworzonego dzięki technikom klonowania. A gdyby nawet było to możliwe, w jaki sposób przeszkadzałoby to autonomii, a nawet - Kantowskiej autonomii klonu? Czy autonomia płodu jest zakłócona, jeśli rodzice dziecka mają ciemne włosy? Albo jeśli rodzice mają po dwa metry wzrostu? Albo jeśli rodzice cierpieli na choroby układu oddechowego? Myślę, że zgodnie z pierwszym postulatem Kanta rodzice powinni mieć możliwość sklonowania dziecka, jeśli uważają, że każdy człowiek w podobnej sytuacji może zrobić to samo. Dla sklonowanego dziecka najważniejsze jest to, że dzięki klonowaniu będzie ono miało możliwość myślenia i korzystania z wolnej woli. Dlatego D. Benatar (pracownik Wydziału Filozofii University of Cape Town w RPA) powiedział: Jeśli klonowanie niszczy godność ludzką, to rozmnażanie płciowe też jest obrazą dla godności... Jeśli zwykłe rozmnażanie nie zawsze oznacza traktowanie dzieci jako środków do osiągnięcia celu, to i klonowanie nie musi tego oznaczać. Kahn stwierdza, że zależność pomiędzy stwórcą i stworzonym byłaby czymś zupełnie nowym - ale czy jakiś czas temu zupełną nowością nie była np. adopcja albo wychowywanie dzieci w rodzinach zastępczych?

Axel Kahn podsuwowuje: ...ci wszyscy, którzy zezwoliliby na tworzenie ludzkich zarodków dla celów naukowych albo leczniczych, uważają, że zarodek nie jest istotą ludzką; nie zastanawiają się nad moralnymi zasadami Kanta.

Znawcy filozofii Kanta mogliby odpowiedzieć tak: ...ci wszyscy, którzy nie zgadzają się na klonowanie ludzi, powinni udowodnić, że klonowanie sprzeciwia się godności zarodka, czyli pozbawia zarodek zdolności kierowania się rozumem i wolności.

UNESCO twierdzi, że genom człowieka musi zostać zachowany jako wspólne dziedzictwo ludzkości. Filozof John Harris, kierownik Centrum Etyki i Polityki Społecznej University of Manchester, tak komentuje punkt widzenia UNESCO:

Czy to znaczy, że genom ludzki ma być zachowany w całości, to znaczy - bez żadnych zmian, czy chodzi o to, że nie może być powielany w sposób bezpłciowy? Nie można twierdzić, że klonowanie wpływałoby na zmienność puli genów ludzkości. Przecież przy klonowaniu człowieka doszłoby tylko do skopiowania nieskończenie małej części tej puli genów; do takich sytuacji dochodzi również w całkowicie naturalny sposób - bliźnięta jednojajowe, które mają takie same geny, rodzą się z częstotliwością 3.5 na tysiąc porodów.

Oprócz mówienia o ataku na godność ludzką, przeciwnicy klonowania stwierdzili, że stwarzanie nowych ludzi drogą klonowania jest przeciwne zasadzie równości ludzi, bo ... pozwala na eugeniczną i rasistowską selekcję osobników ludzkich. Profesor John Harris przypomina:

Cóż, tak samo wygląda sytuacja badań prenatalnych, podobnie jest ze sztucznym zapłodnieniem, nie mówiąc już o tworzeniu banków komórek jajowych i banków plemników, przeprowadzaniu aborcji oraz o tym, że sami ludzie nie wybierają partnerów seksualnych w sposób przypadkowy. Możliwość złego wykorzystania danej techniki medycznej nie jest argumentem, który można wykorzystać do całkowitego zakazu wykonywania takich zabiegów - chyba, że nie można ustanowić przepisów prawnych zabraniających ich przeprowadzanie w niewłaściwych celach. Gdyby klonowanie było zabronione dlatego, że można je wykorzystać do celów rasistowskich, to trzeba byłoby również zakazać stosunków seksualnych, żeby wyeliminować możliwość gwałtu.

Parlament Europejski uważa też, że każdy człowiek ma prawo do swojej genetycznej tożsamości i że klonowanie ludzi odebrałoby ludziom to prawo. Takie twierdzenie skłania do zastanowienia się nad prawami bliźniaków jednojajowych, którzy mają taki sam zestaw genów. Zresztą, właściwie po co ludziom prawo do genetycznej tożsamości? Przecież nie tylko geny decydują o ludzkiej osobowości i indywidualności. John Harris pyta członków Parlamentu Europejskiego:

Przypuśćmy, że życie ciężarnej kobiety jest z jakichś powodów zagrożone, ale istnieje skuteczne leczenie; jedynym efektem ubocznym tego leczenia jest podział zarodka prowadzący do powstania jednojajowych bliźniąt. Czy Parlament Europejski, kierując się prawem człowieka do genetycznej tożsamości, uważa, że takie leczenie powinno być niedozwolone? Wyobraźmy sobie, że naukowcy odkryli szczepionkę przeciwko wirusowi HIV, a ubocznym efektem zastosowania tej szczepionki jest dwukrotne zwiększenie częstości porodów bliźniaczych w populacji ludzkiej... czy byłoby to pogwałceniem podstawowych praw człowieka?

Klonowanie jest zgodne z filozofią Kanta

Wierzę, że klonowanie człowieka znalazłoby swoje miejsce w Kantowskim królestwie. Moim zdaniem klonowanie jest uzasadnione racjonalnie i nie stanowi zagrożenia dla ludzkiej godności i autonomii. Nie prowadziłoby do wykorzystania nikogo jako celu do osiągnięcia środku; przeciwnie, każdy byłby traktowany jako istota rozumna i zdolna do decydowania o sobie. Dotyczy to również klonów, których zdolność do stania się osobami wolnymi i rozumnymi nie byłaby naruszona.

Po co nam klonowanie?

Naukowcy ciągle zastanawiają się, do czego można wykorzystać tworzenie genetycznych kopii ludzi. Trudno byłoby stwierdzić, że społeczeństwo w ogóle nie potrzebuje klonowania ludzi. Do korzyści, które można w ten sposób osiągnąć, należą:

1. Sztuczne rozmnażanie - bezpłodne pary mogłyby mieć dzieci genetycznie spokrewnione z rodzicami;

2. Profilaktyka chorób, za które odpowiadają geny zlokalizowane w mitochondrialnym DNA (podczas klonowania przenosi się tylko jądrowy materiał genetyczny do komórki jajowej dawcy);

3. Nosiciele genów odpowiadających za choroby genetyczne (np. dystrofię mięśniowej Duchenne"a) mogliby mieć dzieci nieobciążone ryzykiem zachorowania na te choroby lub odziedziczenia niekorzystnych genów;

4. Klonowanie ludzkich tkanek i narządów, a nie całych organizmów;

5. Terapia genowa;

6. Przeszczepy niezagrożone odrzuceniem przez układ odpornościowy.

Wnioski

Efekty działania medycyny można oceniać przed faktem i po fakcie. W moim artykule spróbowałem udowodnić, że klonowanie nie jest złem samym w sobie, chociaż tak uważają niektórzy politycy, naukowcy i prawnicy. Obecnie nie można dyskutować o klonowaniu po fakcie, bo jeszcze nikt nie sklonował człowieka, ale jeśli eksperymenty dotyczące klonowania będą prawnie zakazane, ludzie mogą zostać pozbawieni wielu korzyści, których przed faktem nie można ocenić. Najbardziej logicznym sposobem rozstrzygnięcia wątpliwości związanych z klonowaniem jest przeprowadzenie dalszych badań naukowych - to pozwoli na dokładne zrozumienie plusów i minusów techniki wykorzystanej przez twórców Dolly. Kolejnym krokiem powinno być klonowanie człowieka zgodnie z zasadami obowiązującymi lekarzy i naukowców - po pierwsze: nie szkodzić, po drugie: pomagać. Jeśli pozbawimy ludzkość możliwości klonowania, będziemy w pełni odpowiedzialni za konsekwencje tej decyzji.

Zwierzęce modele chorób człowieka pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć, co dzieje się w organizmie pacjenta. Nikogo już nie dziwią myszy chore na cukrzycę ani muchy cierpiące na chorobę Parkinsona. Ale chore psychicznie świnie?

Według naukowców ten pomysł wcale nie jest taki wariacki, na jaki wygląda. Świnie są takie jak my - tłumaczy Sidse Amfred, psychiatra ze szpitala w Kopenhadze. Mają dobrze rozwinięty uklad limbiczny, czyli tę część mózgu, która kontroluje uczucia i emocje. Chcemy spowodować zaburzenia rozwojowe układu limbicznego u prosiąt i sprawdzić, czy w ten sposób wywołamy u nich objawy schizofrenii. Schizofreniczne świnie mogą na przykład unikać kontaktów towarzyskich i spadać na niższe szczeble drabiny społecznej.

Nie wszyscy badacze są zachwyceni tym projektem. Jak będziemy rozpoznawali u świni halucynacje? Albo rozkojarzenie myślenia? - zastanawia się Michael Miller z Uniwersytetu w Missouri. Jednak duńscy naukowcy mimo wszystko są przekonani, że pierwsze schizofreniczne świnie trafią do laboratoriów w ciągu trzech najbliższych lat.

Komórka ma tylko kilkadziesiąt mikrometrów długości i składa się z wielu pulsujących życiem organelli. Jak badać coś tak maleńkiego i delikatnego? Czy można zmusić żywą komórkę do przebudowania tylko niektórych składników szkieletowych albo przyglądać się garstce mitochondriów unoszonych przez strumienie cytoplazmy, nie niszcząc subtelnej architektury komórki?

Biolodzy z Harvardu nauczyli się dostarczać barwniki i leki do wybranych części komórki. Okazało się, że wystarczy zamknąć żywą komórkę w mikroskopijnym basenie z tworzywa sztucznego, który jest tak skonstruowany, że po odkręceniu "kranów" komórka kąpie się w kilku nie mieszających się ze sobą strumieniach cieczy o szerokości kilkunastu mikrometrów. Każdy strumień może zawierać inne cząsteczki, które przenikają do opłukiwanych części komórki. Wtedy można zabarwić wybrane strony komórki na różne kolory albo dostarczyć lekarstwo tylko do prawej części komórki, ale nie do lewej.

Na razie ten sprytny sposób amerykańskich naukowców został wykorzystany do zabarwienia mitochondriów tej samej komórki na różne kolory oraz do zniszczenia cytoszkieletu w wybranym miejscu komórki. Teraz można zastosować tę metodę do badania innych części żywych komórek...

Mitochondria z lewej strony komórki zostały oznakowane czerwonym barwnikiem, a z prawej strony - zielonym.

Dwie i pół godziny później zielone mitochondria wymieszały się z czerwonymi. Mitochondria nie są na stałe przyczepione do elementów szkieletu komórki, ale swobodnie pływają w cytoplazmie, próbując dotrzeć do tych części komórki, które w tej chwili potrzebują więcej energii. Fot. Nature.

Tomografia komórek

Zwykły mikroskop elektronowy pozwala obejrzeć dwuwymiarowe skrawki komórek pod dużym powiększeniem, ale przestrzenna architektura komórki ciągle jest dla nas tajemnicą. Amerykańscy naukowcy postanowili odtworzyć trójwymiarowe wnętrze aparatu Golgiego komórek trzustki na ekranie komputera, przy pomocy nowej metody - tomografii elektronowej. Ogólna zasada tomografii elektronowej komórek trochę przypomina tomografię komputerową wykorzystywaną w szpitalu do oglądania narządów wewnętrznych pacjenta. Różnica polega na tym, że komórkę w przeciwieństwie do pacjenta można bezkarnie pokroić na kawałki. W tomografii elektronowej błyskawicznie zamrożona komórka jest cięta na kilkaset cieniutkich plasterków, mikroskop elektronowy rejestruje obraz każdego skrawka, a komputer układa ze wszystkich obrazów trójwymiarowy model komórki. Tomografia elektronowa pozwala uzyskać obraz o rozdzielczości około sześciu nanometrów. Taki model komórki jest wystarczająco dokładny, żeby można było na nim obejrzeć przestrzenne ułożenie cystern aparatu Golgiego, rurek siateczki śródplazmatycznej i mikrotubuli. Może w przyszłości naukowcom uda się polepszyć rozdzielczość komórkowej tomografii do punktu, w którym uda się bezpośrednio zaobserwować przestrzenne ułożenie cząsteczek białek, lipidów i kwasów nukleinowych w ich naturalnym środowisku? Trójwymiarowa rekonstrukcja aparatu Golgiego i siateczki śródplazmatycznej przy pomocy tomografii elektronowej. Cysterny aparatu Golgiego mają kolor niebieski, czerwony, fioletowy i zielony. Siateczka śródplazmatyczna została pokolorowana na żółto. Fot. PNAS.

Nie klonujmy ludzi!

Ian Wilmut - biolog, który sklonował słynną owcę Dolly - twierdzi, że w tej chwili naukowcy w ogóle nie powinni próbować klonowania ludzi. Nie tylko z powodu wątpliwości moralnych. Z wyników badań na zwierzętach można wywnioskować, że istnieją też poważne zastrzeżenia medyczne i naukowe. W tej chwili klonowanie ssaków jest bardzo mało skuteczne: tylko kilka procent sklonowanych zarodków ma szansę przeżyć ciążę. Te, które przeżyją, i tak często umierają w okresie noworodkowym z powodu wad wrodzonych. Lekarze, którzy próbowaliby zastosować klonowanie do leczenia bezpłodności, ryzykowaliby ciężkie powikłania u stworzonych w ten sposób dzieci. Takiego ryzyka nie można zaakceptować. Tym bardziej, że nie można w żaden sposób ocenić, czy zarodek stworzony na drodze klonowania będzie się prawidłowo rozwijał po wszczepieniu do macicy matki... Mimo to Wilmut podkreśla, że klonowanie komórek przeznaczonych do produkcji zastępczych narządów i tkanek, które mogłyby pomóc pacjentom cierpiącym na chorobę Alzheimera, zawał serca albo niewydolność wątroby czy nerek, jest z medycznego punktu widzenia uzasadnione i stosunkowo bezpieczne. Zdaniem wielu specjalistów, klonowanie ludzkich komórek powinno zostać wykorzystane właśnie w ten sposób: do uzyskiwania przeszczepów, które nie byłyby odrzucane przez nasz układ odpornościowy.

Ile mamy genów?

Latem zeszłego roku naukowcy z Human Genome Project i firmy biotechnologicznej Celera Genomics przedstawili wstępne wyniki sekwencjonowania ludzkiego materiału genetycznego. Przed kilkoma dniami poznaliśmy dokładniejsze wyniki analizy genomu człowieka. Naukowcy z Celery i HGP twierdzą, że każde jądro komórki człowieka zawiera cząsteczki DNA o długości około 3,2 miliarda par zasad. Geny tworzą tylko 1-1.4% ludzkiego genomu; pozostała część naszego materiału genetycznego nie koduje białek. Wszyscy oczekiwali mniej więcej takich wyników. O wiele bardziej zaskakująca jest nieduża liczba genów zakodowanych w DNA naszych komórek. Okazało się, że genom człowieka zawiera tylko około trzydziestu pięciu tysięcy genów kodujących białka. To o wiele mniej, niż się spodziewaliśmy. Bakterie Pseudomonas mają ponad pięć tysięcy genów; drożdże - sześć tysięcy; muszka owocowa - trzynaście tysięcy; robak Caenorhabditis elegans - osiemnaście tysięcy... Nawet biorąc pod uwagę fakt, że takie wstępne oceny liczby genów badanych organizmów są bardzo niedokładne, musimy przyznać, że nasz genom nie jest o wiele większy od materiału genetycznego prostych organizmów zwierzęcych i roślinnych. Jeszcze mniej genów może nas dzielić od innych ssaków. Jak to możliwe, że organizm człowieka jest zbudowany na bazie tylko sześciokrotnie większej liczby genów, niż komórka drożdży? Trzeba pamiętać o tym, że ogólna liczba genów w DNA ma mniejsze znaczenie niż struktura tych genów i sposób ich działania. Geny człowieka mają o wiele bardziej złożoną budowę niż geny drożdży czy muszek owocowych. Ewolucja genomu w mniejszym stopniu polega na zwiększaniu liczby genów, a w większym - na zmienianiu właściwości istniejących genów i tasowaniu fragmentów DNA. Połączenie trzech odcinków DNA w jeden fragment może pozwolić na produkcję białka o zupełnie nowych właściwościach. Poza tym liczba genów w DNA jest o wiele mniejsza od liczby białek wytwarzanych w organizmie. Informacja genetyczna może być modyfikowana na wielu etapach podróży od genu do białka. Niektóre cząsteczki RNA są redagowane przez specjalne enzymy, a to pozwala na produkcję białek o sekwencji nie zapisanej bezpośrednio w genomie. Jeszcze częściej dochodzi do alternatywnego składania genów, czyli takiego łączenia fragmentów RNA, które pozwala wytwarzać odmienne formy białka kodowanego przez ten sam gen. Jeśli chcemy lepiej zrozumieć działanie naszych komórek, powinniśmy nie tylko badać sekwencję DNA, ale także obserwować zestaw produkowanych białek. Dlatego proteomika (nauka zajmująca się zależnościami między całymi grupami białek komórki) będzie odgrywała wielką rolę w biologii i medycynie przyszłości. Krótko mówiąc: może nie mamy o wiele więcej genów niż muszka owocowa, ale na pewno potrafimy sprytniej z nich korzystać.

Genomem w raka

Odczytanie sekwencji ludzkiego materiału genetycznego przyda się naukowcom zainteresowanym biologią komórek nowotworowych. Teraz będzie można łatwiej zrozumieć, dlaczego mutacje niektórych części genomu prowadzą do powstania raka. Analiza genetyczna raka jest trudna i żmudna. Odkrycie charakterystycznej mutacji to dopiero początek długiej drogi; następnie onkolodzy powinni określić, jaki gen został zniszczony. Szukanie uszkodzonego genu może trwać nawet kilka miesięcy, jeśli badacze muszą zsekwencjonować wybrany fragment DNA i dokładnie przeanalizować uzyskaną sekwencję. Opublikowanie sekwencji ludzkiego genomu przyspieszy ten etap badań. Teraz podejrzane geny będzie można wytypować jednym kliknięciem myszki przy pomocy programu, który wstawi fragment uszkodzonej sekwencji we właściwe miejsce naszego genomu. Pełna sekwencja ludzkiego DNA przyda się też biotechnologom projektującym płytki genowe - narzędzia pozwalające określić, które grupy genów ulegają aktywacji albo wyciszeniu w badanych komórkach. W ten sposób wiedza o genomie człowieka pozwoli dokładniej zbadać genetyczną aktywność komórek raka. Wyniki takich badań będzie można wykorzystać do projektowania nowych leków przeciwnowotworowych oraz do tworzenia lepszej klasyfikacji nowotworów na podstawie ich portretów molekularnych.

Z archiwum X

Z molekularnego punktu widzenia klonowanie jest dla nas tajemnicą. Naukowcy potrafią sklonować kilka gatunków ssaków , ale nie mają pojęcia, na czym polega zagadkowe przeprogramowanie klonowanych genów, które wcześniej sterowały dorosłą komórką, a teraz muszą kierować rozwojem zarodka. Co właściwie dzieje się z materiałem genetycznym klonowanych komórek? Amerykańscy badacze przyjrzeli się chromosomom X u klonowanych myszy. Wiemy, że samce i samice ssaków różnią się zestawem chromosomów płciowych . U samców w każdej komórce można znaleźć jeden chromosom X i jeden chromosom Y. Samice mają dwa chromosomy X, ale tylko jeden z tych chromosomów jest aktywny genetycznie (drugi ulega wyłączeniu podczas rozwoju zarodka). Chromosom X jest "usypiany" w komórkach sklonowanych samic dokładnie tak, jak w normalnych zarodkach - chromosom przeznaczony do wyłączenia jest wybierany losowo. Niektóre komórki klonów wyciszają ten sam chromosom, który działał w kopiowanej komórce, a inne wyłączają chromosom X, który wcześniej był nieaktywny. Na tej podstawie stwierdzono, że aktywność genów zgodnie z wcześniejszymi przypuszczeniami ulega losowemu przeprogramowaniu podczas klonowania. Teraz biolodzy chcą wskazać białka odpowiedzialne za taką zmianę programu genów. Manipulacje tymi białkami mogłyby bardzo zwiększyć wydajność klonowania, która na razie jest raczej żałosna...

Klonowanie - co dalej?

Kilka lat temu urodziła się owieczka Dolly - pierwszy ssak stworzony przez naukowców na drodze klonowania, czyli kopiowania materiału genetycznego komórki somatycznej dorosłego organizmu. Od tej pory biologom udało się sklonować inne zwierzęta (np. krowy i kozy) oraz trochę udoskonalić szczegóły techniczne, ale czy naprawdę rozumiemy, na czym polega klonowanie? I czy rzeczywiście chcemy wykorzystać klonowanie w biotechnologii i medycynie?

Klonowanie ciągle jest wielką zagadką biologiczną. Ciągle nie wiemy, dlaczego niektóre gatunki zwierząt są szczególnie oporne na klonowanie. Japońscy naukowcy już dwa lata temu sklonowali myszy, ale do dzisiaj nikomu nie udało się sklonować szczura... Nie mamy też pojęcia, co na poziomie molekularnym dzieje się z klonowanymi genami - przecież komórka jajowa musi je jakoś przeprogramować, żeby mogły pokierować rozwojem zarodka... Naukowcy jeszcze nie rozumieją tych wszystkich zjawisk i dlatego klonowanie zwierząt ciągle ma bardzo niewielką wydajność. Techniczne ulepszanie procesu klonowania odbywa się na oślep i większość osiągnięć wynika ze szczęśliwego zbiegu okoliczności.

Niedawno współpracownicy Wilmuta udowodnili, że klonowanie jest najskuteczniejsze, gdy klonowana komórka somatyczna jest w tej samej fazie cyklu komórkowego co komórka jajowa, do której wprowadza się materiał genetyczny. Owca Dolly powstała z komórki sztucznie wprowadzonej w tzw. fazę G0 cyklu życiowego - fazę uśpienia, w której komórka przestaje się dzielić. Komórki jajowe też znajdują się w podobnym stadium uśpienia... Ale kilka lat temu Ian Wilmut wcale o tym nie myślał - po prostu bezskutecznie próbował klonować różne komórki i w końcu z rozpaczy wpadł na pomysł, żeby wykorzystać komórki hodowane w pożywce zawierającej mało czynników wzrostowych (takie komórki przestają się dzielić i wycofują się w fazę G0). Tak rozpoczęła się historia klonowania...

Do czego wykorzystamy klonowanie, kiedy prędzej czy później uda się pokonać kłopoty techniczne? Według Iana Wilmuta naukowcy nie zdecydują się w ten sposób leczyć bezpłodności, bo prościej jest udoskonalić już istniejące metody leczenia, które nie budzą takich wątpliwości etycznych (np. ICSI - wstrzyknięcie plemnika do komórki jajowej przy pomocy mikromanipulatora). Czy klonowanie pozwoli przywrócić do życia dziecko, które zginęło w wypadku samochodowym? Też nie: osobowość człowieka nie zależy tylko od genów. Większe znaczenie praktyczne będzie miało klonowanie transgenicznych zwierząt.

Wilmut twierdzi, że klonowanie ludzkich komórek powinno zostać wykorzystane przez lekarzy do produkcji zastępczych narządów, które można byłoby wszczepić pacjentom czekającym np. na przeszczep wątroby albo serca. Narządy stworzone na drodze klonowania nie byłyby odrzucane przez organizm biorcy, bo sklonowana komórka wytwarzałaby dokładnie takie same białka jak organizm, z którego została pobrana. Takie zastępcze narządy byłyby wytwarzane w laboratorium z pojedynczych komórek - oczywiście nie ma mowy o żadnym wytwarzaniu płodów przeznaczonych tylko do pobrania tkanek; wszystko przypominałoby zwykłą hodowlę komórkową. Czy klonowanie ludzkich komórek w celu ratowania życia śmiertelnie chorych pacjentów jest usprawiedliwione moralnie?

Portret raka piersi

Zbuntowana komórka nowotworowa dzieli się w niekontrolowany sposób, unika apoptozy (genetycznie zaprogramowanego samobójstwa) i nieprawidłowo reaguje na sygnały wysyłane przez inne komórki. Taka drastyczna zmiana stylu życia jest wynikiem uszkodzeń DNA komórki, które prowadzą do zaburzeń aktywności różnych genów i kodowanych przez nie białek.

Dzięki płytkom genowym naukowcy mogą szybko badać aktywność wielu tysięcy genów w guzach nowotworowych. Tak powstają molekularne portrety różnych rodzajów raka. Naukowcy mają nadzieję, że płytki genowe pozwolą im lepiej zrozumieć skomplikowane zaburzenia szlaków molekularnych, które są przyczyną nowotworów. Lekarze wierzą, że dzięki płytkom genowym uda się stworzyć bardziej precyzyjną klasyfikację nowotworów i opracować skuteczniejsze metody leczenia.

Amerykańscy i norwescy naukowcy wykorzystali płytki genowe do stworzenia portretów molekularnych kilkudziesięciu raków piersi. W każdej badanej próbce tkanki określili aktywność ponad ośmiu tysięcy genów. Następnie skoncentrowali się na zestawie tysiąca siedmiuset genów, których poziom aktywności najbardziej różnił się pomiędzy poszczególnymi guzami nowotworowymi. Przy pomocy analizy statystycznej udało im się udowodnić, że nawet te guzy nowotworowe, które pod mikroskopem wyglądają bardzo podobnie, często uruchamiają lub wyłączają zupełnie inne zestawy genów.

Analiza genetyczna jest o wiele bardziej precyzyjna od zwykłego badania mikroskopowego, które obecnie jest podstawą klasyfikacji nowotworów. Można przypuszczać, że nowotwory o podobnych podpisach molekularnych mają podobne właściwości biologiczne i mogą być wrażliwe na te same grupy leków przeciwnowotworowych. Jeśli tak jest naprawdę, to za kilkanaście lat płytki genowe trafią na oddziały szpitalne jako rutynowe narzędzia diagnostyczne, które pozwolą wybrać najlepszy zestaw leków dla każdego pacjenta chorego na raka.

Co ciekawe, molekularne podpisy różnych raków piersi nie zmieniały się w miarę upływu czasu - tkanki pobrane kilkakrotnie z tego samego guza nowotworowego tworzyły na płytkach genowych prawie identyczne wzory, a geny pobudzone w macierzystych ogniskach raka pozostawały aktywne również w przerzutach. To odkrycie dodatkowo potwierdza przydatność płytek genowych jako narzędzia diagnostycznego, ale jednocześnie niesie ważną informację o biologii komórek nowotworowych. Według onkologów komórki rakowe potrafią bronić się przed leczeniem oraz tworzyć przerzuty właśnie dlatego, że potrafią szybko i sprawnie żonglować aktywnością swoich genów. Może jednak rak nie jest aż tak sprytny? O tym przekonamy się wtedy, gdy ktoś udowodni, że molekularny podpis raka nie zmienia się po podaniu leków przeciwnowotworowych.

Łatwa odpowiedź na trudne pytania

Czyją ja właściwie jestem córką? (...) To, że twoją, wiem, oczywiście. Po prostu to czuję (...) Ale kto jest moim prawdziwym ojcem?
Małgorzata Musierowicz 'Imieniny'. Wydawnictwo Akapit-Press, 1998.

Od niedawna w amerykańskich sklepach można znaleźć zestaw do domowych testów genetycznych Easy Answers^TM. Przeprowadzenie testu jest bardzo proste: w zestawie znajdują się sterylne waciki, przy pomocy których pobiera się wymaz z jamy ustnej badanej osoby. Uzyskaną próbkę (zawierającą złuszczone komórki nabłonkowe - źródło materiału genetycznego) wysyła się do laboratorium przeprowadzającego właściwe badania. Po kilku tygodniach laboratorium przesyła wyniki pocztą.

Według producenta przy pomocy tej metody diagnostycznej można ustalić, czy badana osoba jest biologicznym ojcem (matką) dziecka i określić, czy bliźnięta są jedno-, czy dwujajowe. Pesymiści mogą zachować próbkę swojego materiału genetycznego, co w przyszłości - kiedy zginą np. w katastrofie lotniczej - zdecydowanie ułatwi identyfikację ich rozkawałkowanych zwłok.

Mapa genów MHC

Białka MHC (Major Histocompatibility Complex, inaczej HLA) uczestniczą w reakcjach układu odpornościowego. Najważniejsze klasy białek MHC to klasa I i II (klasa III to m.in. niektóre białka dopełniacza - dopełniacz to układ białek nieswoiście niszczących bakterie).

Większość komórek ludzkich ma na swojej powierzchni białka należące do klasy I MHC. Fragmenty białek i peptydów wytwarzanych przez komórki łączą się z białkami MHC I, a następnie cytotoksyczne limfocyty T sprawdzają, czy komórka nie produkuje białek wirusowych (co oznacza, że została zakażona przez wirusa i należy ją zniszczyć) albo innych nieprawidłowych łańcuchów polipeptydowych (co może oznaczać przekształcenie prawidłowej komórki w komórkę nowotworową). Dlatego obecność białek MHC klasy I pozwala limfocytom na eliminowanie nieprawidłowych komórek naszych organizmów.

Białka MHC klasy II są wbudowywane w błonę komórkową niektórych komórek układu odpornościowego: między innymi makrofagów, monocytów, komórek dendrytycznych i limfocytów B. Te komórki potrafią prezentować obce antygeny - po enzymatycznym strawieniu różnych mikroorganizmów demonstrują kawałki ich antygenów innym komórkom układu odpornościowego, np. pomocniczym limfocytom T, i przekazują im ostrzeżenie o obecności najeźdźców w organizmie. Prowadzi to do uruchomienia odpowiedzi odpornościowej i zwalczenia zakażenia.

Geny MHC są wyjątkowo polimorficzne: do tej grupy należy kilkaset genów, a niektóre z tych genów występują w ponad 200 odmianach. Dlatego tak trudno było poznać sekwencje całej grupy genów MHC. Jednak naukowcy z USA, Wielkiej Brytanii i Japonii - dzięki mrówczej i chyba chwilami potwornie nudnej pracy - zsekwencjonowali wszystkie geny MHC. Mapa genetyczna tego ważnego regionu ludzkiego genomu została opublikowana w Nature.

Poznanie sekwencji genów MHC ma wielkie znaczenie praktyczne. Po pierwsze, lekarze uważają, że podatność na różne choroby zależy między innymi od tego, jaką wersję konkretnych białek MHC wytwarza pacjent: białka niektórych bakterii czy wirusów mogą łatwiej łączyć się z pewnymi wersjami białek MHC, co pomaga komórkom układu odpornościowego w rozpoznaniu infekcji, a może nawet rozpoczynającej się przemiany nowotworowej innych komórek. Dzięki temu niektórzy ludzie potrafią skuteczniej zwalczać infekcje, niż inni. Po drugie, zgodność MHC dawcy i biorcy tkanek jest jednym z podstawowych warunków skuteczności przeszczepu - organizm niszczy narządy, które rozpoznaje jako obce na podstawie nieznanych białek MHC, więc dawca i biorca powinni wytwarzać jak najbardziej podobne rodzaje tych białek. Poznanie sekwencji genów MHC pozwoli naukowcom na opracowanie testów genetycznych, które powinny być prostsze i tańsze od stosowanych obecnie testów biochemicznych. Poza tym analiza sekwencji tych genów i porównanie ich z genami innych organizmów dostarczy wielu ciekawych informacji dotyczących procesu ewolucji człowieka.

Księga życia

Przed kilkoma dniami naukowcy poznali kolejność nukleotydów całej cząsteczki DNA tworzącej dwudziesty drugi chromosom człowieka. Skończył się pierwszy etap drogi prowadzącej do określenia pełnej sekwencji DNA genomu ludzkiego. Czy rozszyfrowanie całej informacji genetycznej komórek ludzkich naprawdę spowoduje rewolucję w medycynie i biologii?

W jądrze prawidłowej komórki somatycznej człowieka są 23 pary chromosomów. W każdym chromosomie jest cząsteczka DNA, która zawiera geny - odcinki kodujące białka. Kolejność aminokwasów w cząsteczce białka produkowanej przez komórkę zależy od kolejności (inaczej: sekwencji) nukleotydów w odpowiednim genie. Są też geny, które zamiast białek kodują cząsteczki rybosomowego RNA (rRNA) lub transportowego RNA (tRNA).

Cząsteczki budujące komórkę decydują o reakcjach biochemicznych zachodzących w komórce. Mówiąc bardziej ogólnie - geny kontrolują życie pojedynczej komórki i całego organizmu. Na podstawie sekwencji nukleotydów DNA ludzkiej komórki można wiele się dowiedzieć o białkach, które odpowiadają za życie człowieka.

Naukowcy poznali kolejność nukleotydów 22 chromosomu, tnąc DNA komórek na krótkie fragmenty i wprowadzając uzyskane kawałki do odpowiednich wektorów, na przykład do sztucznych chromosomów bakteryjnych. Następnie odcinki DNA chromosomu 22 były sekwencjonowane i ustawiane w kolejności odpowiadającej prawdziwej lokalizacji tych fragmentów w całej długiej cząsteczce DNA. W ten sposób udało się poznać ok. 97% sekwencji DNA chromosomu 22 (pozostałe 3% to oporne na klonowanie kawałki DNA, które prawdopodobnie nie zawierają genów i nie mają dużego znaczenia dla naukowców).

Ludzki chromosom 22 jest nieduży - należy do niego około 1.6-1.8% DNA jądra komórki (33.4 miliona par nukleotydów); tylko chromosom 21 jest mniejszy. Jednak samo odczytanie sekwencji DNA chromosomu nie na wiele się przyda, jeśli naukowcy nie będą potrafili wskazać w tej sekwencji odcinków kodujących białka - przecież w ludzkim DNA pomiędzy genami znajdują się długie fragmenty niekodujące.

Odróżnienie genów od sekwencji niekodujących wcale nie jest łatwe, jeśli szukane geny nie zostały wcześniej odkryte u człowieka albo u innych spokrewnionych z nim organizmów. Można próbować to zrobić np. lokalizując sekwencje DNA znajdujące się w odcinkach regulujących aktywność genów (takie sekwencje często są podobne do innych genetycznych sekwencji regulatorowych), ale takie badania są obarczone dość dużym ryzykiem błędu. Dlatego naukowcom nie udało się określić dokładnej liczby genów zakodowanych w DNA 22 chromosomu: oceniają, że na tym chromosomie można znaleźć od pięciuset do mniej więcej tysiąca genów (cały genom ludzki składa się z ok. 50-100 tysięcy genów).

Czy chromosom numer 22 zawiera geny, które mają znaczenie dla lekarzy? Tak - właśnie na tym chromosomie są zlokalizowane sekwencje DNA odpowiadające za kilkanaście rzadkich chorób genetycznych (np. zespół DiGeorge'a, w którym wadom serca towarzyszy niedorozwój grasicy i gruczołów przytarczycznych oraz zniekształcenia twarzy). Prawdziwą perełką może się okazać gen związany z rozwojem schizofrenii, który prawdopodobnie też mieści się na tym chromosomie, ale na razie nie udało się odkryć jego lokalizacji w DNA.

Poznanie sekwencji DNA jest tylko pierwszym krokiem na drodze do lepszego zrozumienia sposobu działania komórki. Kolejny etap polega na odróżnieniu prawdziwych genów od sekwencji niekodujących. Potem trzeba określić, jaką rolę w komórce spełniają poszczególne geny. Potem - jak jedne geny wpływają na aktywność innych i jak białka kodowane przez te geny współdziałają ze sobą w kontrolowaniu procesów życiowych komórki. Wreszcie trzeba odpowiedzieć na pytanie, jak różne wersje (tzw. polimorfizmy) poszczególnych genów wpływają na aktywność odpowiednich białek i na życie organizmu (a nie będzie to łatwe: dwie niespokrewnione osoby różnią się mniej więcej jednym nukleotydem na każde tysiąc par zasad DNA). Trzeba też opracować szybkie metody sekwencjonowania wybranych przez nas genów u konkretnych osób. Dopiero wtedy można myśleć o wykorzystaniu tych informacji w praktyce.

Odszyfrowanie informacji genetycznej człowieka może pozwolić na stworzenie testów genetycznych, które pozwoliłyby lekarzom określić podatność pacjentów na różne choroby ('niestety, ma pan niekorzystną wersję genu X, więc musi pan uważać na poziom cholesterolu we krwi; na szczęście nasze badania genetyczne wykazały, że nadciśnienie raczej panu nie grozi'). Takie testy przydałyby się też towarzystwom ubezpieczeniowym ('jest pani nosicielką genu zwiększającego ryzyko zawału serca, więc musi pani płacić nieco wyższą składkę...'), chociaż ten sposób korzystania z osiągnięć nauki nie ma wiele wspólnego z etyką. Znając materiał genetyczny pacjenta, lekarz mógłby wybrać skuteczniejszy sposób leczenia choroby ('w pani przypadku cukrzyca jest spowodowana zbyt niską aktywnością genu Y, więc spróbujemy wprowadzić do pani komórek prawidłową wersję tego genu').

Jednak na razie te możliwości muszą pozostać marzeniami. Aby myśleć o wprowadzeniu ich w życie, naukowcy muszą określić kolejność nukleotydów całego ludzkiego genomu. Dlatego poznanie sekwencji DNA chromosomu 22 jest przede wszystkim efektownym symbolem badań prowadzących do odszyfrowania całego materiału genetycznego człowieka. Na prawdziwy przełom w nauce będziemy jeszcze musieli cierpliwie poczekać - co najmniej przez kilka lat.

Paragraf 22

Niedawno naukowcy poznali pełną sekwencję DNA 22 chromosomu człowieka). Warto jednak wiedzieć, że wbrew pozorom ta 'pełna sekwencja' wcale nie obejmuje wszystkich nukleotydów w cząsteczce DNA chromosomu numer 22. Biologom nie udało się rozszyfrować trzech procent DNA tego chromosomu.

Jedenaście krótkich kawałków materiału genetycznego w tajemniczy sposób zniknęło z biblioteki wektorów bakteryjnych, chociaż wszystkie inne odcinki DNA ludzkiego chromosomu udało się wstawić do takich samych wektorów, namnożyć i zsekwencjonować. Większość takich niesfornych sekwencji nukleotydowych leży w pobliżu końców długiego ramienia chromosomu.

Dlaczego niektóre odcinki chromosomu 22 są tak oporne na analizę laboratoryjną? Trudno zgadnąć. Peter Little z londyńskiego Imperial College tłumaczy: 'czasem z badanymi fragmentami DNA dzieje się coś dziwnego i naukowcy nie mają pojęcia, dlaczego tak jest'.

Specjaliści uważają, że utracone kawałki chromosomu nie zawierają nic ciekawego - prawdopodobnie w ich skład nie wchodzą żadne geny. Jednak na dnie serca zawsze pozostaje odrobina niepewności...

Trucizna w glebie

Naukowcy zajmujący się biotechnologią często próbują zmieniać genom roślin uprawnych tak, żeby zwiększyć wydajność plonów albo uodpornić rośliny na atak pasożytów. Czy taka zabawa genami jest całkowicie bezpieczna dla człowieka?

W Stanach Zjednoczonych biolodzy wprowadzili do komórek kukurydzy gen kodujący pewną białkową toksynę bakteryjną. Takie rośliny są trujące dla pasożytniczych owadów, ale całkowicie nieszkodliwe dla ludzi. Genetycznie zmodyfikowana kukurydza, która sama broni się przed pasożytami, odniosła duży sukces na rynku amerykańskim: biotechnolodzy 'poprawili' w ten sposób genom prawie 20 procent wszystkich roślin kukurydzy rosnących w USA. Niestety - okazało się, że uprawa tej odmiany kukurydzy może zniszczyć biologiczną równowagę ekosystemu pola uprawnego.

Toksyna wytwarzana przez kukurydzę wycieka z korzenia rośliny i bardzo mocno wiąże się z okruchami gleby. Cząsteczki trującego białka połączone z cząstkami gleby zachowują aktywność owadobójczą, ale nie mogą zostać rozłożone przez bakterie, dlatego toksyna pozostaje w glebie, na której rosła genetycznie zmodyfikowana kukurydza, co najmniej przez osiem miesięcy, a może i dłużej.

Na razie trudno zgadnąć, jak obecność tej toksyny w glebie wpływa na inne owady i bakterie żyjące na polu uprawnym - być może białka wydzielane przez kukurydzę i gromadzące się w glebie niszczą również te mikroorganizmy, które korzystnie wpływają na wzrost roślin. Tego jeszcze nie wiemy - ale wydaje się, że genetycznie zmodyfikowana kukurydza została trochę za wcześnie udostępniona rolnikom

Zabójczy wektor

Naukowcy twierdzą, że terapia genowa (metoda lecznicza polegająca na wprowadzaniu leczniczych genów do komórek pacjentów) będzie szeroko wykorzystywana do leczenia różnych chorób, głównie nowotworów i niektórych chorób dziedzicznych. Czy takie manipulowanie ludzkimi genami jest całkowicie bezpieczne?

Badacze z Instytutu Ludzkiej Terapii Genowej University of Pennsylvania przekonali się, że terapia genowa może być związana z poważnymi i trudnymi do przewidzenia efektami ubocznymi. Ich pacjentem był osiemnastoletni chłopiec cierpiący na wrodzony niedobór enzymatyczny. Eksperymentatorzy wstrzyknęli mu wektory - wirusy przenoszące terapeutyczny gen do komórek. Tymi wektorami były zmodyfikowane adenowirusy zawierające gen kodujący białko, którego nie wytwarzały komórki pacjenta. Mieli nadzieję, że leczniczy gen trafi do komórek wątroby, które powinny zostać rozpoznane przez takie wirusy. Niestety, adenowirusy zaatakowały wiele różnych narządów chorego chłopca. Ślady wirusowych genów odnaleziono między innymi w węzłach chłonnych, szpiku kostnym, śledzionie, pęcherzu moczowym i mózgu. Organizm pacjenta zareagował na to ciężką, uogólnioną reakcją zapalną. Po dwóch dniach chłopiec zapadł w śpiączkę, a po czterech dniach zmarł.

Dlaczego wirusy wniknęły do komórek, których nie powinny zakażać? Tego nikt nie wie. Może cząstki wirusów były pożerane przez komórki układu odpornościowego, które następnie roznosiły wektory po całym ciele?

Jak widać, specjaliści zajmujący się terapią genową muszą jeszcze popracować nad skuteczniejszymi, bezpieczniejszymi wektorami i lepiej zrozumieć reakcję ludzkiego układu odpornościowego na te wektory. Dopiero wtedy będzie można pomarzyć o wykorzystaniu tej metody leczniczej w medycynie klinicznej.

Genom muszki owocowej

Naukowcy doskonale radzą sobie z odczytywaniem materiału genetycznego coraz bardziej złożonych organizmów. Niedawno udało im się określić kolejność nukleotydów dużej części genomu muszki owocowej Drosophila melanogaster.

W jądrze każdej komórki tego owada znajduje się około 180 milionów par nukleotydów. Jedna trzecia tej ogromnej ilości DNA wchodzi w skład heterochromatyny - silnie skondensowanych włókien jądra komórkowego, które najczęściej zamiast aktywnych genów zawiera powtarzalne sekwencje nie kodujące żadnych białek. Pozostaje 120 milionów par zasad DNA. I właśnie taką ogromną ilość informacji udało się rozszyfrować biologom. W pogoni za genomem muszki owocowej brało udział kilkudziesięciu pracowników firmy biotechnologicznej Celera Genomics oraz naukowcy z wielu najlepszych laboratoriów świata (między innymi Berkeley, Harvardu, Baylor College of Medicine i Heidelbergu).

Materiał genetyczny owada został pocięty na krótkie fragmenty, które następnie były automatycznie sekwencjonowane. Uzyskane wyniki wprowadzano do komputerów i próbowano ustawiać je zgodnie z prawdziwą kolejnością kawałków DNA w chromosomach Drosophili. Niektórzy specjaliści wcześniej twierdzili, że taka metoda nadaje się tylko do poznawania genomu najprostszych organizmów. Teraz J. Craig Venter, założyciel i kierownik firmy Celera Genomics, udowodnił im, że jest inaczej.

Sama sekwencja DNA jądra komórkowego nic jeszcze nie mówi o życiu organizmu. Trzeba jeszcze wskazać palcem geny, które są ukryte gdzieś w tej sekwencji, i powiedzieć coś więcej o ich strukturze i działaniu. Żeby rozwiązać ten problem, szefowie projektu badawczego zamknęli genetyków w jednym pokoju z informatykami, schowali klucz do szuflady i zarządzili wspólną burzę mózgów. Kiedy po jedenastu dniach ktoś zlitował się i otworzył drzwi, okazało się, że zdeterminowani naukowcy znaleźli w badanych sekwencjach DNA ponad trzynaście tysięcy genów. To raczej niewiele: inny pupilek laborantów, nicień Caenorrhabditis elegans, ma około osiemnastu tysięcy genów, chociaż jest dużo mniejszy i prościej zbudowany niż muszka owocowa.

W tej chwili nikt nie wie, co większość tych genów robi w komórkach muchy. Ale dużo genów Drosophili przypomina budową i działaniem geny człowieka. W DNA muszki owocowej znaleziono gen podobny do ludzkiego p53, słynnego genu hamującego rozwój nowotworów u ludzi, oraz innych genów, którymi interesuje się medycyna. Inne ludzkie odpowiedniki białek wytwarzanych przez komórki Drosophili mogą odgrywać ważną rolę między innymi w chorobie Parkinsona, chorobie Alzheimera i różnych zaburzeniach hormonalnych. Manipulując tymi genami będzie można więcej dowiedzieć się o chorobach człowieka.

A wiedza zdobyta podczas badań nad materiałem genetycznym Drosophili melanogaster przyda się naukowcom zaangażowanym w projekt poznania ludzkiego genomu.

Drosophila melanogaster. Rys. Internet.

Podróż w czasie

Jak wyglądały geny przodków człowieka? Przekonali się o tym rosyjscy naukowcy, którym udało się wyizolować materiał genetyczny ze zwłok neandertalczyka znalezionego w jednej z jaskini Północnego Kaukazu.

Badana przez genetyków próbka DNA była tak stara, że większość genów już dawno się rozpadła - jej wiek oceniono na dwadzieścia dziewięć tysięcy lat. Do analizy nadawały się tylko resztki genów mitochondrialnych, głównie dlatego, że organizm zawiera bardzo dużą liczbę ich kopii (w każdej komórce są setki mitochondriów i tylko jedno jądro komórkowe).

Wybrane fragmenty DNA neandertalczyka zostały powielone przy wykorzystaniu metody PCR (polimerazowej reakcji łańcuchowej), która teoretycznie pozwala na stworzenie wielu milionów kopii jednego fragmentu DNA. Potem sprawdzono kolejność nukleotydów w uzyskanych fragmentach.

Okazało się, że geny kaukaskiego neandertalczyka są bardzo podobne do genów neandertalczyka, którego zwłoki kilka lat temu odnaleziono w Niemczech. W ten sposób Rosjanie i Niemcy przekonali się, że rzeczywiście badają DNA neandertalczyków, a nie zwykłe, ludzkie geny, które przypadkiem mogły im wpaść do probówek.

Archeolodzy są zaskoczeni: geny neandertalczyków wcale nie są szczególnie podobne do genów współcześnie żyjących ludzi. Może neandertalczyk wcale nie był naszym przodkiem, tylko produktem bocznej gałęzi ewolucji?

Bliżej ludzkiego genomu

Firma biotechnologiczna Celera Genomics (ta sama, która niedawno zsekwencjonowała genom muszki owocowej) ogłosiła, że udało jej się wstępnie zbadać materiał genetyczny człowieka. Jak naukowcy z tej firmy analizują zapis genetyczny różnych organizmów? Rozrywają cały materiał genetyczny na krótkie fragmenty, określają kolejność nukleotydów w każdym z tych fragmentów i wprowadzają wyniki do pamięci komputera. Komputer układa te fragmenty w prawidłowej kolejności - tak, jak były ułożone na chromosomach. Potem genetycy próbują odróżnić geny od tych kawałków DNA, które nic nie kodują, i odgadnąć, co w komórkach robią białka kodowane przez zidentyfikowane geny. W tej chwili skończył się dopiero pierwszy etap badań nad genomem człowieka. Na razie amerykańscy naukowcy dysponują tylko nieuporządkowanymi sekwencjami kawałków materiału genetycznego człowieka. Takie kawałki trzeba dopiero odpowiednio poukładać i zbadać ich funkcję. To bardzo trudne zadanie: ludzki genom jest kilkanaście razy większy i bardziej skomplikowany niż genom muszki owocowej...

Sekwencja chromosomu 21

W zeszłym roku poznaliśmy kolejność nukleotydów cząsteczki DNA tworzącej dwudziesty drugi chromosom człowieka. Teraz naukowcy, którzy chcą zbadać pełną sekwencję DNA ludzkiego genomu, są jeszcze bliżej celu: za kilka dni Nature opublikuje pracę kilkudziesięciu genetyków z Niemiec, Japonii, Francji, USA, Szwajcarii i Wielkiej Brytanii, którzy wspólnymi siłami określili kolejność nukleotydów chromosomu 21.

Chromosom 21 jest bardzo mały, ale zakodowana w nim informacja genetyczna jest niezwykle interesująca dla lekarzy i biologów. Obecność dodatkowej kopii chromosomu 21 w ludzkich komórkach jest przyczyną zespołu Downa - częstej choroby genetycznej, która prowadzi do upośledzenia umysłowego i wiąże się z podwyższonym ryzykiem zachorowania na niektóre nowotwory i chorobę Alzheimera. Dokładne zbadanie informacji genetycznej przenoszonej przez ten chromosom pozwoli określić, w jaki sposób zwiększenie liczby kopii niektórych genów prowadzi do pojawienia się objawów zespołu Downa. Poza tym na chromosomie 21 można odnaleźć gen związany z pewną odmianą choroby Alzheimera i kilkanaście genów odpowiedzialnych za rzadkie choroby jednogenowe. Wiadomo też, że uszkodzenia niektórych części tego chromosomu występują w nowotworach, między innymi w białaczkach.

Jak udało się zsekwencjonować materiał genetyczny chromosomu 21? Krótko mówiąc, genetycy podzielili ten chromosom na mniejsze kawałki, określili kolejność nukleotydów w tych kawałkach i ustawili uzyskane sekwencje w DNA w odpowiedniej kolejności. W ten sposób poznali kolejność ponad 33 milionów nukleotydów DNA chromosomu 21. Potem - przy pomocy komputerowej analizy sekwencji DNA i dopasowania uzyskanych danych do sekwencji znanych genów - spróbowali wskazać, gdzie w tej długiej cząsteczce DNA znajdują się geny, które kodują białka (tylko aktywne geny bezpośrednio wpływają na życie komórki). I tu spotkała ich duża niespodzianka.

Okazało się, że chromosom 21 zawiera tylko 225 aktywnych genów. Naukowcy już wcześniej wiedzieli, że ten nieduży chromosom jest raczej ubogi w geny, ale nie spodziewali się, że jest na nim aż tak mało sekwencji kodujących. Trudno powiedzieć, czy na podstawie analizy chromosomu 21 można wyciągnąć jakieś wnioski na temat ilości genów w materiale genetycznym człowieka. Do niedawna uważano, że ludzki genom zawiera od 50 do 100 tysięcy genów, ale wyniki badań nad chromosomem 21 i chromosomem 22 (w którym jest około 500 aktywnych genów) są pośrednim dowodem na to, że nasz materiał genetyczny może składać się z mniejszej liczby genów. Autorzy pracy twierdzą, że genom ludzki może zawierać tylko około 40 tysięcy genów. Na razie trudno jednak ocenić, czy na innych chromosomach człowieka nie uda się znaleźć większej liczby genów i czy metody wykorzystane do zlokalizowania genów na chromosomach 21 i 22 są wystarczająco precyzyjne. Dlatego dopiero za jakiś czas dowiemy się, ile genów kryje się w naszych komórkach.

Sukces terapii genowej

Niedawno cały świat przekonał się, że terapia genowa - metoda leczenia polegająca na wprowadzaniu genów terapeutycznych do komórek pacjentów - może wiązać się z poważnymi skutkami ubocznymi. Osiemnastoletni chłopiec poddany terapii genowej w University of Pennsylvania zmarł wskutek uogólnionej reakcji zapalnej wywołanej przez wirusy, które miały dostarczyć geny do jego komórek. Czy w związku z tym powinniśmy uznać genoterapię za metodę niebezpieczną i niedopracowaną pod względem naukowym? Na szczęście nie. Dowodem na to jest sukces francuskich lekarzy, którzy postanowili w ten sposób leczyć dwójkę dzieci chorych na zespół ciężkiego złożonego niedobór odporności (SCID).

SCID to choroba genetyczna, która wynika z braku aktywności limfocytów T i B - głównych komórek układu odpornościowego. Nieprawidłowe limfocyty nie atakują bakterii i wirusów, dlatego dzieci chore na SCID są bardzo podatne na zakażenia i najczęściej umierają w pierwszym roku życia z powodu infekcji, które dla osób zdrowych byłyby zupełnie niegroźne. Dziecko, u którego rozpoznano SCID, musi przez cały czas pozostawać w całkowicie sterylnym pokoju szpitalnym; w ten sposób można zmniejszyć ryzyko śmiertelnego zakażenia.

Do tej pory próby leczenia ciężkiego złożonego niedoboru odporności ograniczały się do przeszczepów obcego szpiku kostnego - w ten sposób do organizmu pacjentów wprowadzano zdrowe komórki macierzyste limfocytów. Teraz okazało się, że terapia genowa może być prawdziwym przełomem w leczeniu SCID.

U dwóch małych pacjentów paryskiego Instytutu INSERM rozpoznano postać SCID sprzężoną z chromosomem X. Ta postać SCID jest spowodowana uszkodzeniem genu kodującego podjednostkę receptorów dla niektórych cytokin, czyli białek regulujących aktywność komórek odpornościowych. Limfocyty pozbawione tych receptorów nie mogą odpowiadać na sygnały wysyłane przez inne komórki, nie dojrzewają prawidłowo i nie atakują chorobotwórczych drobnoustrojów.

Naukowcy z INSERM pobrali od chorych dzieci komórki szpiku kostnego i w warunkach laboratoryjnych poddali je działaniu genetycznie zmodyfikowanych retrowirusów. Retrowirusy przeniosły do komórek szpiku kostnego brakujący gen receptora cytokin. Potem naprawione komórki z powrotem wprowadzono do krwi pacjentów.

Komórki szpiku kostnego, które otrzymały prawidłowy gen receptora cytokin, zaczęły wytwarzać prawidłowe limfocyty. Takie genetycznie zmodyfikowane limfocyty okazały się zdolne do walki z bakteriami i wirusami. Układ odpornościowy małych pacjentów zaczął działać całkowicie prawidłowo i dzieci po kilku miesiącach mogły opuścić szpital. Od tego momentu minęło już dziesięć miesięcy. Teraz dzieci poddane terapii genowej mieszkają we własnych domach, są odporne na zakażenia i rozwijają się równie dobrze jak ich zdrowi koledzy. Oczywiście przez cały czas pozostają pod opieką lekarzy, którzy kontrolują stan ich układu odpornościowego.

O tym, czy genoterapia pozwoliła całkowicie naprawić układ odpornościowy dzieci chorych na SCID, dowiemy się dopiero za wiele lat, ale już teraz warto zauważyć, że terapia genowa przynosi coraz lepsze rezultaty. Możemy mieć nadzieję, że genoterapia przyda się też do leczenia wielu innych chorób, między innymi hemofilii, AIDS, innych chorób zakaźnych, a przede wszystkim - nowotworów złośliwych.

Genom człowieka odczytany!

26 czerwca 2000 roku skończył się wstępny etap poznawania genomu człowieka. Naukowcy z firmy biotechnologicznej Celera Genomics i laboratoriów należących do programu Human Genome Project ogłosili, że udało im się ustawić we właściwej kolejności wcześniej zsekwencjonowane fragmenty ludzkiego materiału genetycznego.

Komórkowy alfabet genetyczny wykorzystuje cztery litery, czyli cztery nukleotydy DNA: adeninowy (A), guaninowy (G), cytozynowy (C) i tyminowy (T). Prawidłowy przebieg procesów życiowych organizmu zależy od struktury białek, która jest zakodowana w kolejności (inaczej mówiąc - sekwencji) nukleotydów w DNA. Zmiana budowy genów i kształtu cząsteczek białek może prowadzić do uszkodzenia komórek i choroby całego organizmu. Nasze życie w dużym stopniu zależy od genów zamkniętych w naszych komórkach, więc rozszyfrowanie całego materiału genetycznego człowieka ma ogromne znaczenie i dla lekarzy, i dla biologów.

Dzięki naukowcom poznaliśmy prawdziwą kolejność ponad trzech miliardów nukleotydów ludzkiego genomu. Jednak obecnie dysponujemy tylko przedmową do instrukcji obsługi człowieka, która jeszcze nie została napisana przez genetyków. Minie jeszcze wiele lat, zanim bezcenne informacje dotyczące sekwencji ludzkiego DNA zostaną wykorzystane w jakikolwiek praktyczny sposób. Dlaczego?

Przede wszystkim dlatego, że 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 właśnie na wyławianiu ważnych genów z morza niekodujących 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.

Może w przyszłości lekarze będą mogli szybciej i sprawniej rozpoznawać wiele chorób? Może zbadanie zestawu genów człowieka pozwoli określić jego skłonności do niektórych schorzeń i wcześniej zapobiegać tym chorobom, na które dana osoba jest najbardziej narażona? Może na podstawie badań DNA uda się dobierać leki szczególnie silnie działajace na pacjentów wyposażonych w pewne zestawy genów? Może nosiciele niekorzystnych genów będą musieli poddawać się przymusowej sterylizacji, żeby skłonności do chorób dziedzicznych nie rozprzestrzeniały się w populacji ludzkiej? Może dzięki badaniom nad ludzkim genomem uda się stworzyć skuteczniejszą broń biologiczną? Hm... Sposób wykorzystania nowo zdobytej wiedzy zawsze zależy tylko od człowieka, który tą wiedzą dysponuje. Zobaczymy, co przyniesie przyszłość...

Kalendarz badań nad genomem

Marzec 1986 - US Department of Energy organizuje konferencję poświęconą sekwencjonowaniu ludzkiego genomu.

Marzec 1988 - amerykański Narodowy Instytut Zdrowia (National Institute of Health, NIH) ogłasza rozpoczęcie prac nad sekwencjonowaniem genomu człowieka.

Wrzesień 1988 - James Watson, odkrywca przestrzennej struktury DNA, zostaje szefem nowo utworzonego Ośrodka Badań nad Ludzkim Genomem NIH.

Kwiecień 1992 - Watson rezygnuje z pracy w Ośrodku Badań nad Ludzkim Genomem, bo nie podobają mu się pomysły innego pracownika NIH, Craiga Ventera, który chce opatentować sekwencje DNA odszyfrowane w swoim laboratorium. Francis Collins z University of Michigan zajmuje miejsce Watsona w NIH.

Czerwiec 1992 - Venter rezygnuje z pracy w NIH, otrzymuje potężny zastrzyk finansowy (125 milionów dolarów) od firmy farmaceutycznej SmithKline Beecham i zakłada własny Instytut Badań Genomu (The Institute for Genome Research, TIGR).

Październik 1993 - ośrodki współpracujące z Human Genome Project NIH planują zakończyć sekwencjonowanie genomu człowieka w 2005 roku.

Luty 1996 - Human Genome Project ogłasza, że dane uzyskane podczas sekwencjonowania ludzkiego materiału genetycznego będą podawane do publicznej wiadomości.

Maj 1998 - Craig Venter tworzy firmę biotechnologiczną, która później otrzyma nazwę Celera. Venter chce przyspieszyć badania nad ludzkim materiałem genetycznym, ale twierdzi, że uzyskane przez niego wyniki nie będą udostępniane wszystkim chętnym.

Maj 1998 - firma biotechnologiczna Wellcome Trust podwaja wsparcie finansowe dla Human Genome Project.

Grudzień 1998 - naukowcy z Wielkiej Brytanii publikują sekwencję DNA nicienia Caenorrhabditis elegans, organizmu wykorzystywanego jako model w wielu badaniach genetycznych.

Grudzień 1999 - w Nature pojawia się pełna sekwencja najmniejszego chromosomu człowieka - chromosomu 22. Celera i Human Genome Project rozmawiają o możliwościach współpracy.

Marzec 2000 - ośrodki akademickie współpracujące z Celerą publikują w Science sekwencję materiału genetycznego muszki owocowej Drosophila melanogaster.

Maj 2000 - japońscy i amerykańscy naukowcy pracujący w Human Genome Project publikują w Nature pełną sekwencję 21 chromosomu ludzkiego.

Czerwiec 2000 - Human Genome Project i Celera Genomics wspólnie ogłaszają zakończenie pierwszego etapu badań nad genomem człowieka.

Kryptonim Pseudomonas

Pałeczka ropy błękitnej (Pseudomonas aeruginosa) to bakteria, która często atakuje ludzi przewlekle chorych i długo leżących w szpitalu. Zakażenie tymi bakteriami jest szczególnie groźne dla dzieci chorych na mukowiscydozę: obecność pałeczek ropy błękitnej w płucach wywołuje przewlekły proces zapalny, który w końcu prowadzi do zniszczenia dużych obszarów tkanki płucnej, skurczów oskrzeli wywołanych reakcją zapalną i poważnych kłopotów z oddychaniem. Niestety pałeczka ropy błękitnej potrafi szybko się uodpornić na większość antybiotyków, a to dodatkowo utrudnia leczenie.

Biolodzy z USA, Kanady i Niemiec rozszyfrowali całą informację genetyczną Pseudomonas aeruginosa. Okazało się, że komórki tych bakterii kryją w sobie ponad 5500 genów. Jak na bakterię to dość dużo: mniej więcej tyle samo genów mają drożdże, a genom Helicobacter pylori - bakterii wywołującej wrzody żołądka - zawiera tylko 1700 genów. Prawdopodobnie duża liczba genów pozwala pałeczce ropy błękitnej szybko nauczyć się niszczyć antybiotyki, łatwo przystosować się do zmiennych warunków środowiska i wykorzystywać bardzo zróżnicowane źródła pokarmu (komórki Pseudomonas aeruginosa można znaleźć nie tylko w organizmach chorych ludzi, ale także np. w glebie i w wodzie).

Lekarze mają nadzieję, że dokładna analiza genów pałeczki ropy błękitnej ujawni czułe punkty tych bakterii. Stworzenie skuteczniejszych antybiotyków jest szczególnie ważne dla dzieci chorych na mukowiscydozę, u których zakażenie Pseudomonas często staje się przyczyną śmierci.

Pseudomonas aeruginosa.
Fot. Nature.

Kawa, kofeina i serce

Przyspieszone bicie serca, podwyższone ciśnienie krwi, drżące ręce, niepokój, bezsenność - to typowe objawy przedawkowania kofeiny. Można im zapobiegać, pijąc kawę bezkofeinową, ale smak takiej kawy nie wszystkim odpowiada.

Produkcja kawy bezkofeinowej polega na wypłukiwaniu kofeiny z ziarenek kawy. Taka obróbka chemiczna jest skomplikowana i kosztowna, a w dodatku koneserzy twierdzą, że uzyskany w ten sposób napój smakuje gorzej od zwykłej kawy. Jak uzyskać kawę, która ma dobry smak i nie podwyższa ciśnienia krwi?

Naukowcy opisali budowę genu kodującego enzym odpowiedzialny za biosyntezę kofeiny. To odkrycie pozwoli stworzyć transgeniczne odmiany kawy, które w ogóle nie wytwarzają kofeiny. Taka naturalnie bezkofeinowa kawa zachowa swój smak i zapach, ale nie będzie niekorzystnie wpływała na serce i naczynia krwionośne.

ZNACZENIE GENETYKI W MEDYCYNIE

ZNACZENIE GENETYKI W MEDYCYNIE



CHOROBY DZIEDZICZNE
Większość chorób jest wywoływana przez mikroorganizmy, które dostają się do ustroju człowieka i upośledzają jego normalne funkcjonowanie. Znamy jednak inne choroby, które są obecne w danym organizmie od momentu połączenia się plemnika z komórką jajową, czyli od chwili powstania nowego życia. takie choroby nazywamy chorobami dziedzicznymi. Oznacza to, że są przekazywane dzieciom przez rodziców za pośrednictwem chromosomów - mikroskopijnych struktur « zawierających informacje genetyczne. Do chorób ~" dziedzicznych zaliczamy m.in. hemofilię i niedokrwistość sierpowatokomórkową, syndrom Downa, zwłóknienie torbielowate i daltonizm.
Choroby dziedziczne to wady wrodzone, to znaczy wady, z którymi przychodzi na świat nowo narodzone dziecko. Od wad wrodzonych niedziedzicznych, jak ubytek w przegrodzie międzykomorowej czy zniekształcone kończyny, różnią się tym, że te ostatnie są wynikiem nieprawidłowości rozwojowych płodu w łonie matki.
Na czym polega dziedziczenie
Wszystkie cechy dziedziczne danej osoby, takie jak kolor oczu i włosów, grupa krwi, wielkość nosa i zębów, linie papilarne oraz do pewnego stopnia wzrost, inteligencja i temperament, są determinowane zestawem chromosomów w zapłodnionej komórce jajowej. W tej i każdej innej komórce ludzkiego organizmu znajduje się 46 chromosomów, czyli łańcuchów zbudowanych z genów, zgrupowanych w 23 pary. Każda para chromosomów ma charakterystyczny kształt i wielkość, które można dostrzec pod silnym mikroskopem.
Męskie i żeńskie komórki rozrodcze mają tylko po 23 chromosomy, czyli połowę pełnej liczby. Kiedy plemnik łączy się z komórką jajową, chromosomy otrzymane od ojca łączą się w pary z chromosomami otrzymanymi od matki.
Podczas tworzenia się komórek rozrodczych zachodzi wymieszanie informacji genetycznej między chromosomami z każdej pary. W rezultacie każda męska i żeńska komórka jajowa ma niepowtarzalny zestaw chromosomów. Informacja gen tyczna zawarta w tych zestawach jest za każdy razem inna. Właśnie dlatego nie ma dwóch identycznych ludzi na całym świecie i jedna córka mo odziedziczyć po ojcu kształt nosa i kolor włosów a jej siostra będzie bardziej podobna do matki.
Tylko bliźniaki jednojajowe, które rozwinę się z dwóch połówek zapłodnionej komórki jajowej, mają identyczną informację genetyczną.




Wrodzone niedokrwistości hemolityczne są spowodowane dziedzicznie uwarunkowanymi wadami budowy błony komórkowej krwinki lub niektórych jej składników biochemicznych. Wady te sprawiają, że krwinki stają się nieodporne na zmiany w środowisku panującym wewnątrz organizmu (np. na zmiany temperatury, stężenia tlenu, zakwaszenie spowodowane zbierającym się we krwi dwutlenkiem węgla lub na dostające się do krwi różne substancje chemiczne) i w określonych warunkach ulegają rozpadowi w naczyniach krwionośnych. Wady struktury morfologicznej lub biochemicznej krwinek mogą powodować wychwytywanie i niszczenie ich przez śledzionę, bez rozpadu w krwi krążącej.
Sferocytoza wrodzona, czyli choroba Minkowskiego-Chauffarda jest najczęściej występującą w Polsce postacią wrodzonej niedokrwistości hemolitycznej. Istotą choroby jest dziedziczona w sposób dominujący wada błony komórkowej, która sprawia, iż krwinki nabierają kulistego kształtu, bez charakterystycznego wklęśnięcia (przejaśnienia) w środku. Zmienione krwinki - tzw. sferocyty — są przedwcześnie niszczone w śledzionie oraz przejawiają większą wrażliwość na różnego rodzaju uszkodzenia.
Objawy. Sferocytoza wrodzona zazwyczaj ujawnia się zaraz po urodzeniu w postaci wybitnie nasilonej żółtaczki hemolitycznej noworodków, co często prowadzi do wymiennej transfuzji krwi. W okresie niemowlęcym i dziecięco-młodzieńczym zazwyczaj hemoliza jest skompensowana, nie powodując na co dzień większych objawów. Od czasu do czasu jednak występują nagłe rzuty hemolizy powodujące żółtaczkę i anemię. Często rzuty te są wywoływane zakażeniami bakteryjnymi lub wirusowymi. Stały zwiększony rozpad krwinek w śledzionie powoduje jej powiększenie i nadmierną czynność. Stąd pochodzą odczuwane przez chorego bóle w lewym podżebrzu oraz dające się stwierdzić powiększenie śledziony. Następstwem zwiększonego tworzenia bilirubiny jest nierzadko spotykana kamica żółciowa.
Leczenie sferocytozy wrodzonej polega na usunięciu śledziony, przeważnie w okresie późnego dzieciństwa. Operacja ta nie likwiduje wady krwinek, lecz usuwa miejsce ich rozpadu, uwalniając chorego od przykrych i niebezpiecznych następstw hemolizy.
Wady wrodzone hemoglobiny, szeroko rozpowszechnione na świecie, szczególnie w krajach basenu Morza Śródziemnego, Czarnej Afryki i Dalekiego Wschodu, polegają na błędzie w budowie cząsteczki białkowej hemoglobiny, który powoduje łatwe wytrącanie się hemoglobiny lub jej części składowych w postaci nierozpuszczalnych złogów w krwinkach czerwonych. Krwinki, w których wykrystalizowała się hemoglobina — normalnie rozpuszczona w ich wnętrzu — rozpadają się łatwo w naczyniach pod wpływem różnych czynników, np. wyższej temperatury lub kwaśnego odczynu, albo ulegają niszczeniu w śledzionie.
Niedokrwistość sierpowata jest najcięższą i najlepiej poznaną chorobą spowodowaną wrodzoną wadą budowy hemoglobiny. W chorobie tej bardzo niewielka zmiana w budowie łańcucha białkowego hemoglobiny (zmiana tylko jednego aminokwasu w jednym miejscu łańcucha na inny o odmiennych własnościach biochemicznych) powoduje ciężkie objawy kliniczne, od niedokrwistości hemolitycznej począwszy, poprzez uszkodzenie nerek i zaburzenia rozwoju kośćca, na ślepocie skończywszy. Ciężkie objawy występują u tych ludzi, którzy wadę tą dziedziczą po obojgu rodzicach, u tych, którzy dziedziczą tylko częściowy defekt (tzw. znamię sierpowatości), choroba jest w formie utajonej, a ciężkie objawy hemolizy występują tylko pod wpływem takich bodźców, jak gorączka, niskie ciśnienie tlenu w otoczeniu, narkoza itp.
Podobnych wad hemoglobiny znanych jest obecnie ok. 200, lecz nie zawsze powodują one objawy chorobowe, często są tylko znaleziskiem biochemicznym.
Wrodzony brak jednego z enzymów, biorących udział w przemianach biochemicznych wewnątrz krwinki i dostarczających krwinkom niezbędnej energii, powoduje również niedokrwistości hemolityczne. Wadą enzymatyczną, którą dotknięte są miliony ludzi na świecie (głównie w krajach południowych i tropikalnych), jest niedobór enzymu dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu. Niedokrwistość hemolityczna w przypadku niedoboru tego enzymu ujawnia się dopiero po zadziałaniu dodatkowego czynnika z zewnątrz. Jednym z czynników wywołujących gwałtowny rozpad krwinek u ludzi z tą wadą wrodzoną są substancje zawarte w nasionach i pyle kwiatowym takich roślin strączkowych, jak bób, fasola lub groch. Nieznoszenie bobu, objawiające się ciężką chorobą, znane już Hipokratesowi, nazywane było fawizmem (od nazwy łac. bobu Vicia faba). Podobne przełomy hemolityczne w tej chorobie mogą wywoływać niektóre leki (sulfonamidy, leki przeciwmalaryczne i przeciwbólowe).
Leczenie we wszystkich wadach wrodzonych powodujących różne postacie anemii polega na podawaniu środków usuwających objawy i zapobiegających napadom hemolizy.
Nabyte niedokrwistości hemolityczne mogą być spowodowane czynnikami bezpośrednio uszkadzającymi krwinki (np. benzen), nieprawidłową funkcją śledziony (w przypadku chorób wątroby, nowotworów, zakrzepów w żyle śledzionowej) albo reakcją układu odpornościowego organizmu skierowaną przeciw własnym krwinkom -tzw. niedokrwistość immunohemolityczna. Szczególną postacią immunologicznej niedokrwistości hemolitycznej jest hemoliza występująca w następstwie przetaczania krwi niezgodnej grupowo lub w przypadku urodzenia dziecka z tzw. ciąży konfliktowej (matka Rh -, ojciec Rh +).
Niedokrwistość immunohemolityczna występuje wtedy, gdy układ odpornościowy, traktując krwinki czerwone własnego organizmu jako obce, wytworzy skierowane przeciw nim przeciwciała. Zazwyczaj dzieje się tak, gdy inna substancja wprowadzona z zewnątrz wiąże się z krwinką czerwoną tworząc kompleks, który jest obcym składnikiem dla układu odpornościowego, lub gdy substancja ta wskutek reakcji z krwinką zmieni jej normalne właściwości. Substancjami tymi najczęściej są leki, trucizny bakteryjne, pasożyty lub wirusy. Przeciwciała przeciw krwinkom czerwonym mogą również wytwarzać się w przypadku nowotworów i w tzw.-chorobach a u t o i m -munizacyjnych.
Leczenie nabytej niedokrwistości hemolitycznej polega przede wszystkim na wykryciu i usunięciu przyczyny wywołującej hemolizę. W stanie ostrej hemolizy konieczna jest szybka pomoc, często przetoczenie specjalnie przygotowanej krwi. Stosowane są również odpowiednie leki, czasem usunięcie śledziony. Na ogół wyniki leczenia są dobre.
Torbielowate zwłóknienie trzustki, czyli mukowiscydoza to wrodzona choroba gruczołów wydzielających śluz, zlokalizowanych w trzustce, oskrzelach, wątrobie i jelitach. Występuje przede wszystkim we wczesnym dzieciństwie, ale także coraz częściej u osób dorosłych, co wiąże się niewątpliwie z wydłużeniem czasu przeżycia osób dotkniętych tą chorobą.
Głównymi objawami mukowiscydozy są zakażenia płucne uporczywie nawracające od najwcześniejszego dzieciństwa oraz zaburzenia w trawieniu i wchłanianiu pokarmu. U części chorych dochodzi do niedrożności przewodu pokarmowego z powodu jego zatkania gęstymi masami śluzowymi.
Rozpoznanie choroby opiera się na obrazie klinicznym oraz na stwierdzeniu nieprawidłowego składu elektrolitowego potu.
Leczenie polega na zwalczaniu zakażeń płucnych, stosowaniu zabiegów poprawiających wykrztuszanie wydzieliny z oskrzeli oraz preparatów (wyciągów) trzustkowych i witamin.
Dystrofia mięśniowa postępująca charakteryzuje się postępującym zwyrodnieniem mięśni uwarunkowanym genetycznie. Pierwsze objawy pojawiają się, w zależności od postaci choroby, między 2 a 25 r. życia. Jest to postępujące osłabienie mięśni z towarzyszącym zanikiem i przykurczami.
Miotonia to rzadka choroba o podłożu genetycznym, cechująca się przetrwałym skurczem mięśniowym, co powoduje, że chory np. po zaciśnięciu pięści nie może szybko rozprostować palców. Istota choroby nie jest znana.
Dziecięcy zanik mięśni pochodzenia rdzeniowego to choroba uwarunkowana genetycznie, której istota polega na uszkodzeniu komórek ruchowych rogów przednich rdzenia kręgowego. Pierwsze o b -jawy pod postacią wiotkości, osłabienia i zaniku mięśni występują od urodzenia. Przebieg choroby jest niepomyślny.
Zanik strzałkowy postępujący, czyli zanik neuralny mięśni. Jest to przewlekła, rzadko występująca polineuropatia (zapalenie wielonerwowe, s. 1066), uwarunkowana genetycznie. Pierwsze objawy występują w wieku młodzieńczym pod postacią charakterystycznego zaniku mięśni kończyn dolnych (tzw. bocianie nogi) i zaburzeń czucia.
Zespół Lesch-Nyhana. Jest to zaburzenie metabolizmu puryn, wywołane brakiem transferazy, enzymu przekształcającego hipoksantynę i guaninę w fosforan inozyny. Enzym ten znajduje się we wszystkich komórkach, a gen kodujący go zlokalizowano w chromosomie X. Choroba występuje tylko u chłopców.
Główne objawy to zaburzenia ze strony układu nerwowego, skłonność do samookaleczeń i dna moczanowa. Przez pierwszych 6-8 miesięcy życia dzieci rozwijają się prawidłowo. Często pierwszym objawem są duże ilości kryształów kwasu moczowego na pieluszce dziecka, przypominających pomarańczowy piasek. W pierwszym roku życia może wystąpić kamica nerkowa. Objawy mózgowe pojawiają się zwykle stopniowo: niemowlęta, które poprzednio siedziały i dobrze trzymały głowę, tracą te umiejętności i już nigdy ich nie zdobywają. Starsze dzieci mogą siedzieć w krześle tylko po umocowaniu tułowia. Często wykonują ruchy mimowolne, napięcie ich mięśni jest wzmożone, wykazują nieprawidłowe objawy neurologiczne. Upośledzenie umysłowe jest umiarkowane (wskaźnik inteligencji zwykle mniejszy od 50), ale część dzieci może nauczyć się mówić. Uderzająca jest w tej chorobie metabolicznej skłonność do samookaleczeń (odgryzanie warg i palców). Samookaleczenia mają charakter nawykowy, a chorzy nie robią tego świadomie i często proszą o pomoc. Nie występują przy tym zaburzenia czucia: chorzy samookaleczając się krzyczą z bólu.
Charakterystyczną cechą biochemiczną zespołu Lesch-Nyhana jest podwyższony poziom kwasu moczowego we krwi i zwiększone jego wydalanie z moczem. Prowadzi to do kamicy nerkowej i uszkodzenia nerek przez sole kwasu moczowego, co może być przyczyną ciężkiej niewydolności nerek i zgonu przed 10 r. życia. Innym następstwem zwiększonego wytwarzania kwasu moczowego są guzki dnawe i zapalenie stawów z napadami dny.
Leczenie polega na obniżeniu poziomu kwasu moczowego we krwi i tym samym zmniejszaniu powikłań nerkowych, co nie wpływa na upośledzenie umysłowe i objawy neurologiczne. Postępowanie w tym zakresie ograniczone jest do uniemożliwienia samookaleczeń.
Hemofilia
Jest najbardziej znaną i najcięższą wrodzoną skazą krwotoczną. Choroba ta była znana już od dawna ze względu na jej wystąpieie wśród europejskich rodów królewskich. Nie bez wpływu na dalszy tok wydarzeń historycznych była hemofilia następcy tronu rosyjskiego_ Aleksego „leczonego” przez słynnego Rosputina. Hemofilię wśród koronowanych głów Europy rozsiała brytyjska Królowa Wiktoria, która odziedziczyła tę wadę po swoich przodkach..
Hemofilia dziedziczy się w sposób recesywny, związany z płcią. Wada związana jest z chromosoem X. Oznacza to, że chorują na tę chorobę mężczyźni dziedziczący defekt po owych matkach. Kobiety na hemofilię nie chorują- są tylko jej bezwiednymi przenosicielkami.
Wyróżnia się dwie główne postacie hemofili - A i B. W hemofili A wada krzepnięcia polega na wrodzonym niedoborze globuliny antyhemofiliowej (AHG), czyli tzw. Częśći koagulacyjnej czynnika VIII. W hemofilii B brakuje czynnika IX, inaczej zwanego czynnikiem Chriotmasa, od nazwiska chorego, we krwi którego po raz pierwszy wykryto brak tej właśnie składowej krzepnięcia. Obraz kliniczny obu tych hemofilii nie różni się od siebie . Częstszą wadą jest hemofilia A, której występowanie w Polsce ocenia się jako jeden przypadek na 12000 mieszkańców. Hemofilia B zdarza się 7 do 10 razy rzadziej.
Objawy hemofili zależą od stopnia niedoboru czynnika niezbędnego do krzepnięcia krwi. Podzielono zatem hemofilię A na 4 stopnie ciężkości zależnie od tego, jak duży jest niedobór globuliny antyhemofilowej- AHG:
1) hemofilia ciężka - stężenie AHG stanowi mniej niż 1% normy;
2) hemofilia względnie łagodna - stężenie AHG wynosi 1-5% normy;
3) hemofilia łagodna - stężenie AHG wynosi 5 -25% normy;
4) hemofilia utajone - stężenie AHG wynosi 25- 60% normy.
Objawy. Typowymi objawami ciężkiej hemofilii są krwawienia do stawów i mięśni występujące bez wyraźnych urazów. Choroba ujawnia się najczęściej w pierwszym roku życia, gdy dziecko zaczyna raczkować opierając się na kolanach i łokciach. W tych właśnie stawach pojawiają się wylewy. Nawracające wylewy do stawowe powodują poza bardzo silnym bólem, zniekształcenia i usztywnienia w stawach, prowadząc do trwałego kalectwa. Częstym objawem są krwawienia do ośrodkowego układu nerwowego, krwawienia z nerek i przewodu pokarmowego. W przypadku urazów i zabiegów operacyjnych wystepują ciężkie, groźne dla życia krwotoki. W lżejszych postaciach hemofilii krwawienia są związane z urazami. Do bardzo ciężkich krwotoków może dochodzić po usunięciu zęba, przy czym krwotok występuje po kilku godzinach, gdyż najwcześniejsza faza hemostazy jaest sprawna, obkurczają się naczynia krwionośne i tworzy się czop płytkowy. Nie powstaje jednak aktywna trombina - nie może dojść do utworzenia pełnowartościowego skrzepu i rozpoczyna się niepowstrzymane krwawienie.
Jednym leczenie hemofilii jest szybkie uzupełnienie brakującego składnika przez przetoczenie odpowiedniego preparatu otrzymanego z krwi ( w Polsce tzw. Krioprecypitalu ).W razie konieczności przeprowadzenia u chorego na hemofilię operacji, brakujący czynnik podawany jest w odpowiednim czasie przed i po operacji. Najtrudniejsze jest zapobieganie samoistnym wylewom dostawowym w ciężkiej hemofilii, co może wymagać okresowych przetaczań preparatów czynników VIII.
Chorzy na hemofilię w Polsce podlegają rejestracji w specjalnych poradnikach znajdujących się przy Akademiach Medycznych w całej Polsce oraz w Instytucie Hematologii (dorośli) i Instytucie Matki i Dziecka w Warszawie. Otrzymują oni specjalną legitymację, w której wpisany jest rodzaj i stopień ciężkości skazy, grupa krwi oraz liczne wskazówki dla chorego i lekarza.
Zapobieganie szerzeniu się tej choroby polega na uświadomieniu potncjalnych nosicieli o niebezpieczeństwie przekazywania dziedzicznego. Istnieje możliwość wykrycia nosicielstwa u kobiety za pomocą specjalnych badań, a także stwierdzenia, czy płód znajdujący się wewnątrz macicy ma cechy hemofilii, czy też nie.
Mongolizm (Zespół Downa)
Zwany jest także tisomią 21, ponieważ charakteryzuje się dodatkowym chromosomem w 21 parze alleli. Nazwa choroby pochodzi od charakterystycznej zmiany w budowie fałd powiekowych. Inne wady w tej chorobie dotyczą twarzoszczęki, języka i dłoni. Występuje również niedorozwój fizyczny i umysłowy oraz ciężkie wady serca. Częstość występowania zespołu Downa zwiększa się wraz z wiekiem matki, nie zależy natomiast od wieku ojca ani od liczby przebytych ciąż.
Thalassemia
Choremu brakuje prawidłowo funkcjonującego genu na chromosomie 11 lub 16, genu odpowiedzialnego za produkcję pewnego białkowego składnika czerwonego barwnika krwi - hemoglobiny. Hemoglobina transportuje we krwi tlen - defekt ten powoduje zatem niewydolność w zakresie zaopatrywania tkanek w ów życiodajny pierwiastek. Jedyną formą pomocy są powtarzające się transfuzje krwi. Choroba jest nieuleczalna, a długość życia pacjentów niska. Geny owego białka - globiny można wytwarzać dzięki technice genetycznej, problem polega jednak - podobnie zresztą jak w przypadku innych chorób - na wprowadzeniu zdrowych komórek do szpiku kostnego i zapewnienia ich wystarczającego rozmnażania się. W 1984 roku zespół badaczy Richarda Mulligana (MIT) wbudował sprawne geny globiny w retrowirusy, które uprzednio pozbawiono możliwości powielania się po wprowadzeniu DNA do komórki-żywiciela. Dodatkowo wbudowano drugi gen, znacznie poprawiający zdolność przeżycia nowych komórek. W praktyce doświadczenie się udało, tyle że nowo wbudowanych genów nie udało się zaktywizować. Dopiero w 1988 roku czasopismo „Naturę" doniosło, że pewnemu amerykańskiemu zespołowi udało się zaktywizować ludzkie geny odpowiedzialne za wytwarzanie krwi po przeniesieniu ich w komórki szpiku kostnego myszy.
Doświadczenia te nie stanowią wprawdzie ingerencji w ogólnoludzki materiał genetyczny, gdyż ewentualne ich przeprowadzenie dotyczyć będzie wyłącznie ludzi, którzy w ten sposób będą leczeni. Pomimo to należy rozpatrywać je z wielką uwagą i troską, gdyż otwierają drzwi do manipulowania ludzkimi genotypami.
Thalassemia występuje przede wszystkim w krajach południowych - na Sardynii na przykład aż około 30 procent populacji jest nosicielem tego defektu. W ostatnich latach, dzięki przeprowadzeniu szeroko zakrojonych badań profilaktycznych i prowadzeniu poradnictwa genetycznego, ilość zachorowań udało się wydatnie zmniejszyć.
Galaktozemia
Brak urylilotransferazy galaktozo-1-fosforanowej powoduje galaktozemię, ciężką chorobę, dziedziczną jako autosomalna cecha recesywna. U osobników mających tę wadę metabolizm galaktozy jest zablokowany na etapie powstawania galaktozo-1-fosforanu. Niemowlęta dotknięte schorzeniem nie rozwijają się. Po spożyciu mleka występują u nich wymioty i biegunka, częstymi objawami są powiększenie wątroby i żółtaczka. Ponadto wielu galaktozemików jest opóźnionych w rozwoju umysłowym. Stężenie galaktozy we krwi jest znacznie podwyższone i galaktoza występuje także w moczu. Brak transferazy w krwinkach czerwonych jest definitywnym kryterium diagnostycznym.
Galaktozemia jest leczona przez wykluczenie galaktozy z pożywienia. Dieta pozbawiona galaktozy powoduje gwałtowne cofnięcie się wszystkich objawów klinicznych, z wyjątkiem opóźnienia w rozwoju umysłowym, które jest nieodwracalne. Kontynuowanie podawania pacjentom galaktozy może spowodować ich śmierć Uszkodzenie powstające podczas galaktozemii są spowodowane w większym stopniu nagromadzeniem substancji toksycznych, niż brakiem jakiegoś istotnego składnika. Pacjenci są zdolni do syntezy UDP-galaktozy z UDP-glukozy, ponieważ aktywność epimirazy jest u nich prawidłowa. Jedna z substancji toksycznych jest galaktitol, powstający podczas redukcji galaktozy. Obecność reduktazy aldozy w soczewkach oka prowadzi do nagromadzenia się tam galaktitolu, co z kolei powoduje napływanie wody i rozwój zaćmy.

Alkaptonuria polega na niezdolności rozkładu związku zwanego kwasem homogentyzynowym. W normalnym matabolizmie człowieka kwas homogentyzy-nowy jest jedną z substancji powstających przy rozkładzie aminokwasów fenyloalaniny i tyrozyny. U osobników zdrowych wytwarzany jest enzym — oksydaza kwasu homogentyzynowego. Dlatego rozkładany jest na związki prostsze, takie jak kwas acetooctowy. U osobników z alkaptonuria enzym ten nie jest wytwarzany na skutek mutacji w określonym genie, dochodzi do nagromadzenia się kwasu honogentyzynowego a to wywołuje objawy chorobowe, między innymi zmiany artretyczne. W 1902 roku A. GARROD wykazał, że alkaptonuria jest dziedziczona jako prosta mendlowska cecha recesywna. Alkaptonuria jest stanem stosunkowo łagodnym i nie zagrażającym życiu.
Choroba Pieka i Alzheimera. Choroby te występują pomiędzy 50-60 r. życia. Charakteryzują się postępującym otępieniem oraz występowaniem objawów ogniskowego uszkodzenia mózgu, takich jak: niedowłady, zaburzenia mowy, apraksja. Leczenie jest tylko objawowe, rokowanie niepomyślne.
Choroba Huntingtona (pląsawica Huntingtona) - genetycznie uwarunkowana choroba, przejawiająca się zaburzeniami emocji i procesów poznawczych, występowaniem niekontrolowanych ruchów kończyn, drgawek, nieprawidłowego napięcia mięśniowego oraz upośledzenia mimiki. Choroba Huntingtona jest spowodowana mutacją genu HD, polegającą na występowaniu zwiększonej liczby powtórzeń trójki nukleotydów CAG w obrębie tego genu. Ta mutacja powoduje wydłużenie łańcucha reszt kwasu glutaminowego w białku kodowanym przez ten gen - huntingtynie. Na razie nie wiemy, w jaki sposób mutacja HD wpływa na metabolizm komórek nerwowych, ale naukowcy uważają, że może ułatwiać apoptozę neuronów.
1. Pląsawica huntingtona (mutacja dominująca, której objawem są m.in. zaburzenia ruchowe i postępujące zmiany zwyrodnieniowe układu nerwowego w 25-45 roku życia, z upośledzeniem umysłowym).
2. Fenyloketomiria (mutacja recesywna objawiająca się m.in. zaburzeniami w rozwoju umysłowym,, zaburzeniami ruchowymi)
Fenyloketonuria, genetycznie uwarunkowany niedobór cn/vnm (hydroksylazy fenyloalaniny) uniemożliwiający przemianę fenyloalaniny w tyrozynę (aminokwasy). Gromadzona we krwi nadmierna ilość fenyloalaniny i produktów jej rozpadu (np. kwasu fenylopirogronowego) prowadzi do uszkodzenia mózgu. Objawy: znacznego stopnia upośledzenie rozwoju umysłowego i motorycznego. Niedobór iDclariiny jest przyczyną bardzo jasnej skóry, włosów i tęczówek (bielactwo rod/one). Poza tyin mogą występować drgawki (padac/.ka), zaburzenia chodu, postawy, ruchy alctotyc/nc? zesztywnienie stawów.
W moczu obecne duże ilości kwasu fenylopirogronowego, jest to podstawa do szybkiego postawienia diagnozy. Do wczesnej diagnostyki służy test Guthriego, który wykonywany jest u wszystkich noworodków w Polsce. Postęp choroby można zatrzymać ograniczając zawartość fenyloalaniny w pokarmach i zastępując ją tyrozyną (hydrolizaty kazeiny).

Bielactwo wrodzone, albinizm, wrodzone zaburzenie metabolizmu tyrozyny (brak tyrozynazy), powodujące zmniejszenie lub brak produkcji melanin w komórkach barwnikowych człowieka i zwierząt, związane z występowaniem genu recesywnego (recesywność genetyczna). Skóra osobników dotkniętych bielactwem wrodzonym (albinosów) jest bardzo jasna lub biała, włosy (sierść, pióra) białe, źrenica czerwona, z powodu przeświecania naczyń krwionośnych przez przezroczyste tęczówki. Bielactwo wrodzone upośledza zwykle wzrok (wskutek niedoboru barwnika w oczach), niekiedy także słuch.
Choroba glikogenowa, wrodzone zaburzenia metaboliczne, polegające na gromadzeniu nieprawidłowych ilości glikogenu w tkankach. Zależnie od miejsca gromadzenia rozróżnia się rozmaite postacie. Najczęstsza postać wątrobowo-nerkowa (choroba Gierkego) spowodowana niedoborem enzymu glukozo-6-fosfatazy. Objawy: powiększenie wątroby, wymioty, niedocukrzenie krwi.
Choroby psychiczne
Współcześnie podejście do problemów zdrowia psychicznego zapoczątkowane zostało przez Zygmunta Freuda (1856-1939), psychiatrę i neurologa, badającego zaburzenia pracy ludzkiego umysłu. Zdrowie psychiczne zdefiniował on jako zdolność „do pracy i miłości". Freud był jednym z pierwszych naukowców badających umysł nie tylko w stanie świadomości, ale także wpływ podświadomości na kształtowanie naszej psychiki i zachowań. Był twórcą psychoanalizy - metody diagnozy i terapii, polegającej na „zaglądaniu" w głąb podświadomości w celu znalezienia ukrytych przyczyn chorób psychicznych. Freud wyznawał pogląd, że konflikty przeżywane w dzieciństwie są źródłem wielu problemów psychicznych. Zauważył, że niektórzy jego pacjenci nie chcą rozmawiać o pewnych aspektach swojego życia. Miał wrażenie, że sami blokują i odpychają od siebie jakieś doświadczenia i pragnienia. Dostrzegł także, że stan umysłu ma wpływ na funkcjonowanie organizmu, i zdarza się, że u źródeł fizycznych objawów chorobowych często leżą zaburzenia psychiczne. Ogólne choroby psychiczne dzieli się na zaburzenia neurotyczne, zaburzenia psychotyczne i zaburzenia osobowości. Zaburzenia neurotyczne występują dość często. Pojawiają się wtedy, gdy człowiek przestaje radzić sobie z problemami dnia codziennego: troskami, lękami i rozczarowaniami, jakie niesie ze sobą życie. Chora osoba, próbując ominąć stojące przed nią problemy, ucieka się do form zachowań, które nazywamy zachowaniami zaburzonymi. Często problemom neurotycznym towarzyszą napady rozpaczy i poczucie winy. Zaburzone zachowanie może utrudnić, a czasem nawet uniemożliwić normalne funkcjonowanie, jednak- co bardzo ważne- cierpiący człowiek pozostaje świadomy otaczającego go rzeczywistości, a także zdaje sobie sprawę ze swojego stanu zdrowia.

PORADNICTWO GENETYCZNE
Poradnictwo genetyczne jest prowadzone przede wszystkim dla tzw. rodzin ryzyka genetycznego, a więc tych, w których występowały już choroby genetyczne. Na podstawie sporządzanych przez lekarza rodowodów zasięgających porady przyszłych rodziców można określić, jakie jest prawdopodobieństwo urodzenia dziecka obciążonego chorobą dziedziczną. Przykłady takich rodowodów przedstawiliśmy wcześniej .
Poradnictwo genetyczne wykorzystuje wiele metod diagnostycznych. Niektóre z nich, stosowane po poczęciu dziecka, pozwalają na stwierdzenie, czy płód rozwija się prawidłowo (np. obserwacje ultrasonograficzne). Inne, jak opisana poprzednio metoda badania kariotypu, mają szersze zastosowanie. Badania kariotypu przeprowadza się np. u przyszłych rodziców pochodzących z rodzin, w których występowały przypadki choroby Downa. Można je również przeprowadzić u płodu w początkowym okresie ciąży. Technika nazywana amniopunkcją pozwala na pobranie niewielkiej ilości płynu owodniowego i określenie kariotypu znajdujących się w płynie komórek płodu (rys. 109). W przypadku stwierdzenia obecności trzech chromosomów 21 rodzice mają możliwość podjęcia decyzji, czy wychowywać upośledzone dziecko z zespołem Downa, czy też zakończyć ciążę w tym momencie. Z drugiej strony, w przypadku rodziny o zwiększonym ryzyku potwierdzenie prawidłowości kariotypu rozwijającego się płodu pozwala uniknąć przerwania ciąży z obawy przed urodzeniem chorego dziecka.
Opisane powyżej badanie kariotypu może przyczynić się do wykrycia tylko tych chorób genetycznych, których podłożem są zakłócenia struktury lub liczby chromosomów. Badanie takie nie jest jednak skuteczne w przypadkach chorób zależnych od pojedynczych genów lub chorób polige-nicznych.
Specjalistyczne poradnictwo genetyczne jest w Polsce prowadzone w Centrum Zdrowia Dziecka, Instytucie Matki i Dziecka, Instytucie Psychiatrii i Neurologii w Warszawie oraz przy Akademiach Medycznych w Poznaniu, Łodzi, Gdańsku, Wrocławiu, Krakowie i Białymstoku.
Warto uświadomić sobie, że głęboko zakorzeniony w naszej tradycji zakaz zawierania małżeństw wśród bliskich krewnych jest niczym innym, jak bardzo ogólną „poradą genetyczną" przekazywaną z pokolenia na pokolenie. Zakaz ten znajduje racjonalne uzasadnienie we współczesnej wiedzy na temat dziedziczenia. Im bliżej spokrewnione są ze sobą dwie osoby, tym bardziej podobne są ich genotypy. Im bardziej podobne są genotypy rodziców, tym większa szansa na to, że u dzieci spotykają się dwa recesywne allele odpowiedzialne za chorobę. Jest oczywiste, że nasi dalecy przodkowie nie znali mechanizmów leżących u podstaw dziedziczenia cech. Jednakże łatwe do zaobserwowania schorzenia pojawiające się częściej wśród potomstwa bliskich krewnych niż w pozostałych rodzinach były dostatecznie wyraźnym ostrzeżeniem, aby unikać takich małżeństw.

MUTACJE CHROMOSOMOWE, LICZBOWE
Dla danego gatunku liczba haploidalna bądź diploidalna chromosomów(2n) jest charakterystyczna i stała Stałość ta jest jednak tylko częściowa i często spotyka się od niej wyraźne odchylenia Odchylenia od liczby diploidalnej możemy zasadniczo podzielić na dwie kategorie. W pierwszej z nich odchylenia od podstawowej liczby diploidalnej dotyczą tylko pojedynczych par chromosomów homologicznych, w których zamiast dwóch chromosomów homologicznych będzie występował tylko jeden albo też na przykład trzy. Pozostałe chromosomy będą tworzyły normalne pary. Wtedy ogólna somatyczna liczba chromosomów będzie wynosiła nie 2n, lecz 2n-l lub 2n+l. Może to czasem dotyczyć więcej niż jednej pary chromosomów, tak iż ogólny wzór tych mutantów będzie 2n+/-x, z tym że x jest mniejsze niż n. Taką kategorię mutantów nazywamy ANEUPLOUDAML Jeśli zaś w organizmie cały zespół n chromosomów występuje w ilości zwielokrotnionej, lecz większej niż 2, jak np. 3n, 4n, 5n itd., to taką kategorię mutantów chromosomowych liczbowych nazywamy EUPLOIDAML
ANEUPLOIDY
Aneuploidy mogą być bardzo różnych typów, z których omówione zostaną tylko dwa: organizmy o liczbie chromosomów 2n-l, zwane MONOSOMIKAMI i o liczbie chromosomów 2n+l, zwane TRISOMIKAMI. U monosomików jeden z chromosomów występuje w liczbie pojedynczej, a pozostałe w liczbie potrójnej, a pozostałe tworzą normalne pary. W danym gatunku ilość różnych typów monosomicznych i trisomicznych jest oczywiście równa n, gdyż może być tyle odrębnych aneuploidów, ile odrębnych jest par chromosomów. Aneuploidy tego typu powstają zazwyczaj na skutek nie rozejścia się pary chromosomów w mejozie, czyli tak zwanej NÓNDYSJUNKCJI. Jeśli z jakiś względów dwa homologiczne chromosomy przejdą razem do jednego bieguna figury podziałowej w mejozie, to mogą powstać gamety o składzie chromosomowym n+1 i n-1. Jeśli takie gamety zostaną połączone przy zapłodnieniu z normalnymi gametami o n chromosomach, powstaną zygoty o 2n+l, bądź 2n-l chromosomów.
Monosomiki występują zwykle bardzo rzadko, gdyż utrata całego chromosomu jest najczęściej letalna w gametach, a także często i w zygotach. Pojedyncze osobniki monosomiczne powstałe na skutek nondysjunkcji jednej pary chromosomów w mejozie były opisane u szeregu roślin i zwierząt. Trisomikami nazywamy osobniki o ogólnym składzie chromosomowymtypu 2n+l, a więc o jednym chromosomie w liczbie potrójnej i reszcie w postaci par. Powstają najczęściej w wyniku nondysjunkcji jednego z biwalentów i połączenia się gamet mających n i n+1 chromosomów. Trisomiki różnią się zwykle znacznie pod względem właściwości fizjologicznych i morfologicznych od diploidów. Jest to spowodowane obecnością jednego dodatkowego chromosomu, w wyniku czego wszystkie geny w nim zawarte występują w dawce potrójnej, podczas gdy pozostałe geny w dawce podwójnej. Taka zmiana w dawkach różnych genów ma istotny wpływ na metabolizm oraz procesy wzrostu i różnicowniaOczywście wszystkie możliwe dla danego gatunku typy trisomików w zależności od tego, który z chromosomów zespołu podstawowego jest w potrójnej liczbie, będą się różniły swymi właściwościami, gdyż w każdym typie trisomika inny zespół genów jest reprezentowany trzykrotnie.
Trisomiki są bardziej żywotne niż monosomiki. Wykazują jednak zwykle obniżoną płodność, co powoduje, że przy rozmnażaniu płciowym są w warunkach naturalnych zwykle eliminowane przez selekcję.Przyczyną sterylności są zaburzenia mejotyczne. Na skutek obecności trzech chromosomów homologicznych powstają w mejozie triwalenty, podczas gdy reszta chromosomów tworzy normalne biwalenty. Czasem powstają same biwalenty i jeden uniwalent. W anafazie triwalent zostaje zwykle rozdzielony w ten sposób, że dwa chromosomy przechodzą do jednego bieguna, a jeden do drugiego. Jeśli w mejozie jeden z chromosomów występował jako uniwalent, to często w ogóle nie zostanie włączony do jąder pochodnych. Gamety n+1, powstające w wyniku rozdziału triwalentu mają często obniżoną żywotność i mogą być eliminowane w procesie zapłodnienia w konkurencji z gametami o n chromosomach.
Trisomiki odegrały w genetyce istotną rolę w przypisywaniu grup genów sprzężonych do morfologicznie określonego typu chromosomu. Np. u Drosophila tylko grupa genów sprzężonych z płcią może być zlokalizowana w chromosomie X. Pozostałe trzy grupy genów sprzężonych odpowiadają trzem różnym autosomom zespołu chromosomowego u Drosophila. Która grupa sprzężona, któremu autosomowi odpowiada można wykazać przy pomocy trisomików. Jeśli dany chromosom występuje w potrójnej liczbie, to geny w nim •/

Znaczenie genetyki w rolnictwie i hodowli

Hodowla zwierząt jest nauka, której zadaniem jest stale ulepszanie zwierząt przez człowieka, oraz tworzenie nowych lepszych form lub osobników z określona, wybrana cecha Współczesna hodowla dla osiągnięcia postępu musi korzystać ze zdobyczy takich nauk jak genetyka, cytologia, fizjologia zwierząt, biochemia, zoopatologia, fizyka, chemia, matematyka i inne.
Najdawniejsza stosowana przez człowieka forma jest udomowianie zwierząt dzikich, które były hodowane w określonych celach. Rozwój każdej cechy i ostateczna jej forma zależy od określonych założeń genetycznych, ale również od warunków środowiskowych.
Zmienność i różnorodność fenotypowa osobników w populacji wywołana jest czynnikami genetycznymi i środowiskowymi, a przede wszystkim ich współdziałaniem. Środowiskiem można określić zespól zewnętrznych czynników działających na organizm, (czynniki troficzne-odżywcze, klimatyczno-glebowe, pielegnacyjno-hodowlane, chorobotwórcze i inne). Z powyższych czynników najważniejsza role w hodowli odgrywa żywienie, tak jak i inne są ukształtowane przez człowieka. Cała działalność ludzka musi zmierzać w kierunku stworzenia zwierzętom jak najkorzystniejszych warunków bytowania, co z kolei zapewnia ich dobrą produkcyjność. Działalność ludzka polega wiec na zmodyfikowaniu i ukształtowaniu w odpowiedni sposób środowiska. W hodowli genotyp jest programem a poprzez zamierzone oddziaływanie środowiskowe człowiek może kształtować fenotyp w pożądanym kierunku.
W granicach określonych przez genotyp, należy pamiętać, że zwierzęta o różnych genotypach mogą reagować w odmienny sposób na to samo środowisko.
Oddziaływanie środowiska na zwierzęta jest przyczyna powiększania się zmienności, która nazywamy modyfikacyjna. Jest to jednak uproszczenie, ponieważ jak wiadomo, każda cecha organizmu powstaje jako wynik współdziałania czynników dziedzicznych i środowiskowych. Osiągnięte przez człowieka zmiany modyfikacyjne dotyczą fenotypu i nie są przekazywane potomstwu.
Od najdawniejszych czasów człowiek starał się hodować potomstwo pochodzące od najlepszych zwierząt. Wybór najlepiej odpowiadających człowiekowi osobników do dalszego rozmnażania osobników o określonych cechach nazywa się selekcja sztuczna lub doborem - sztucznym.
Człowiek świadomie przekształca populacje (w hodowli populacja odnosi się do zwierząt 1 rasy w określonym rejonie).
Populacja, która z pokolenia na pokolenie nie zmienia swej struktury genetycznej jest w stanie równowagi genetycznej. Mechanizmem utrzymującym te równowagę jest losowe kojarzenie osobników, w którym występują różne typy kojarzenia. Częstotliwość rożnych typów kojarzeń zależy od częstotliwości poszczególnych genotypów w populacji. Wybór zwierząt z przeznaczeniem ich na rodziców przyszłego pokolenia nazywa się selekcja. Selekcja prowadzi wiec do zmiany struktury genetycznej populacji w kierunku wybranym przez hodowcę, poprzez eliminacje z rozpłodu zwierząt o niepożądanych cechach, hodowca usuwa ze stada niepożądane geny. Zmiany w strukturze genetycznej stada będą zgodne z kierunkiem prowadzonej selekcji.
Skuteczność selekcji wyraża się wzrostem częstości pożądanych genotypów a spadkiem genotypów niekorzystnych w potomnej populacji. Oddziaływanie środowiska może w bardzo poważnym stopniu przesuwać wartość cechy w kierunku dodatnim lub ujemnym.
Zwierzęta wybrane na rodziców tworzą wiec tzw. stado selekcyjne tzn. wyselekcjonowane osobniki tego stada są fenotypowo lepsze w porównaniu z pozostałymi zwierzętami.
Miara statystyczna zgodności fenotypu z genotypem jest współczynnik oddziedziczalności h2. Oddziedziczalność to populacyjna a nie osobnicza zmiana genetycznego uwarunkowania cechy - h2 jest wartością stałą dla danej cechy i może przybierać różne wartości, które zależą od stopnia zmienności genetycznej i środowiskowej zwierząt w stadzie. Im bardziej są podobne genetycznie zwierzęta tym niższy będzie współczynnik h2.
W pracach hodowlanych stosuje się różnego rodzaju selekcje, rodzaj podyktowany jest potrzebami rynku i ekonomiką produkcji.
Zmienność jest podstawowym warunkiem prowadzenia selekcji. W stadzie musi następować tzw. odnowa, czyli "remont stada", który polega na wprowadzeniu lepszych zwierząt i eliminacji wybrakowanych. W kazdej hodowli większe znacznie odgrywają samce niż samice, wprawdzie potomstwo dziedziczy w równym stopniu po obu rodzicach, ale na skutek stosowanej w hodowli zwierząt poligamii jest rola samców większa. Źle wybrana samica nie powoduje większych szkód, ponieważ pozostawia po sobie niewiele potomstwa, natomiast samiec szybko rozpowszechnia swoje geny w stadzie i jeżeli został źle wybrany powoduje straty w hodowli.
Selekcja może być prowadzona na podstawie wartości użytkowej "masowa" lub hodowlanej. W hodowlach samce są selekcjonowane na podstawie wartości hodowlanej a samice na podstawie wartości użytkowej.

METODY SELEKCJI
- następcza - czyli cecha po cesze lub najpierw na jedna potem na następne cechy; selekcja taka jest skuteczna, ale wydłuża czas z ogólnego doskonalenia użytkowego stada
- selekcja prowadzona niezależnie - na kilka najważniejszych cech równocześnie ważną role odgrywa tutaj dobieranie cech, które będą stanowić kryterium wyboru do stada
- selekcja wskaźnikowa - lub indeks selekcyjny; indeks osiąga się przez dodawanie oceny zwierzęcia dotyczącej własności x do oceny właściwej y następnie z itd. Zwierzęta o najniższej sumarycznej ocenie są eliminowane. Jest to metoda skuteczna, ponieważ, pozwala na wyrównywanie braków poprzez wyjątkowa doskonałość 1 właściwości w stosunku do innych

Efekty tej metody są dosyć powolne, ale powodują harmonijne ulepszanie kompleksu cech użytkowych przy utrzymaniu dobrej konstrukcji.

Metoda na jądro stada - jest kombinacją selekcji na poszczególne cechy z indeksem selekcyjnym. W hodowli stosuje się, oprócz selekcji indywidualnej, rodzinową tzn. prowadzi się ewidencje użytkowności rodzin, tzn. potomków po tych samych rodzicach. Należy pamiętać, ze zawsze dobór par do kojarzeń potęguje efekty selekcji. Selekcja na jest celem sama w sobie, lecz środkiem doboru właściwych kojarzeń. Stosuje się następujące kojarzenia:

- podobny z podobnym i niepodobny z niepodobnym, przy czym kojarzenia te dają rożne efekty

Podobny z podobnym, czyli kojarzenia krewniacze. Kojarzy się osobniki blisko spokrewnione - nazywa się chowem wsobnym - INBRED. Kojarzenie takie zapewnia przekazywanie i utrwalanie korzystnych indywidualnych cech poszczególne cennych osobników.
W hodowli według linii chodzi o jak najbliższe pokrewieństwo z cennym osobnikiem użytym jako reproduktor. Role w selekcji odgrywa pokrewieństwo, czyli podobieństwo osobników mających w swoich genotypach pewna cześć indywidualnych genów.
Pokrewieństwo w linii prostej łączy potomka z przodkiem. Współczynnik pokrewieństwa R wskazuje procentowy udział identycznych genów u porównywalnych osobników. INBRED niesie za sobą określone genetycznie skutki - gamety spokrewnionych osobników wnoszą do zygoty cześć identycznych genów. Pokrewieństwo gamet zależy od stopnia pokrewieństwa genetycznego stad wniosek, że im bardziej są spokrewnione ze sobą rodzice tym bardziej homozygotyczne będzie potomstwo. Skutkiem INBREDU jest wiec wzrost homozygotyczności zwierząt w stadzie.
Nie zawsze inbredowanie jest korzystne, ponieważ może prowadzić do pewnych deformacji, zwyrodnień i ułomności.
Zasadnicza przyczyna pojawienia się depresji inbredowej są geny letalne i subletalne o charakterze recesywnym - inbred zwiększa prawdopodobieństwo spotkania się tych genów, które a heterozygot są nieszkodliwe, a u homozygot są przyczyna ujawnienia się anomalii.
U ludzi ze względu na to nie zawiera się związków małżeńskich miedzy blisko spokrewnionymi osobnikami. Pomimo występowania szkodliwych skutków inbredu stosuje się tę metodę w hodowli, które prowadzi do podobieństwa genetycznego dalszych pokoleń z wybitnym przodkiem, który był użyty jako reproduktor. W przypadku kojarzenia "córki" z cennym genetycznie "ojcem" inbred prowadzi do koncentracji genów wybitnego przodka w genotypach jego potomstwa. Inbred pozwala również na sprawdzenie rozpłodników na nosicielstwo niekorzystnych genów - inbred testowy. W przypadku tzw. hodowli na linię celem jest nie dopuszczenie do rozproszenia genów cennego przodka i tworzy się spokrewnione grupy zwierząt względem 1 wybitnego przodka, gdyż chodzi o zachowanie podobieństwa członków linii do protoplasty.
Inne znaczenie ma linia wsobna - czyli grupa zwierząt pochodzących z kojarzeń krewniaczych prowadzonych od kilku pokoleń. Celem takiego inbredu jest uzyskanie wysokohomozygotycznych zwierząt.
Linie wsobne są wykorzystane do kojarzenia z innymi liniami w celu uzyskania heterozygotycznych mieszańców.
Kojarzenie krewniacze prowadzi się również w celu zmniejszenia stopnia zmienności stada, co określa się konsolidacją stada - stosuje się wtedy, gdy u mieszańców występują dwie zmienności fenotypowe i hodowca chce wyodrębnić najodpowiedniejsze typy użytkowe.
Inbred stosuje się również wtedy, gdy celem jest wyhodowanie nowych grup rasowych lub ras, ponieważ potęguje zdolność przekazywania przez zwierzęta nowych cennych zalet potomstwa i zalety są utrwalane przez dziedziczenie. Chcąc uniknąć ujemnych skutków hodowli krewniaczej o których była mowa, trzeba tak dobierać zwierzęta, aby miały tylko 1 wspólnego przodka.
Inbred ma znaczenie w małych hodowlach.
Innym rodzajem kojarzenia jest tzw. wolne, czyli niekrewniacze. Za wolne uważa się takie, które nie miały wspólnego przodka już w VII-IX szeregu pokoleń. Kojarzenie uszlachetniające polega na krzyżowaniu pewnej grupy samic ze szlachetnymi samcami innej rasy, od których hodowca chce przyjąć określoną cechę.
Eliminowanie osobników prymitywnych odbywa się przez krzyżowanie wypierające tzn. osobnika prymitywnego zastępuje się o obcej rasy, stosuje sę przez kilks pokoleń co prowadzi do stopniowego wypierania genów.
Krzyżowanie rasotwórcze ma na celu utworzenie nowej rasy lepiej dostosowanej do warunków. Efekt można osiągnąć przez uprzednio przedstawione krzyżowanie lub przez krzyżowanie kilku ras.
Jest to proces długotrwały ponieważ zmieszańcowane stado wykazuje bardzo dużą zmienność wskutek rozczepienia się cech. Za rasę uznaje się odpowiednio liczebną grupę zwierząt, która wykazuje duże ujednolicenie w typie budowy i w celach użytkowych, a w potomstwie nie występuje większa zmienność niż w stadzie rodzicielskim.
Np. w Polsce prowadzi się prace nad wyhodowaniem nowej rasy długowełnistej owcy. Krzyżowanie użytkowe stosuje się wykorzystując zjawisko heterozji. Do krzyżowania wybiera się zwierzęta 2 ras o dobrze wyrażonych cechach - celem jest uzyskanie u mieszańców harmonijnego połączenia cech obu ras.
Obecnie oprócz krzyżówek w obrębie ras i gatunku uzyskano krzyżówki międzygatunkowe - główną przeszkodą w takim krzyżowaniu są różnice w liczbie chromosomów oraz właściwości fizjologiczne. Uzyskano obecnie z krzyżówek międzygatunkowych muła lub krzyżówkę żubra z bydłem domowym lub yaka z bydłem.

PODSUMOWANIE: Przedstawione metody mają na celu zwiększenie wydajności hodowli zwierząt, co pozwala hodowcom na oszczędność stosowanych materiałów oraz oszczędność pracy ludzkiej.


ZNACZENIE GENETYKI W HODOWLI ROŚLIN
- zwiększenie plonów przez poprawę warunków środowiska, - krzyżowanie wyselekcjonowanych odmian
- zastosowanie mutagenów - wykorzystanie mutacji, - krzyżowanie czystych odmian
- klonowanie - heterozja

Zadaniem hodowli roślin jest ulepszanie roślin uprawnych i tworzenie nowych odmian, podobnie jak w hodowli zwierząt wykorzystano wiele nauk a przede wszystkim genetykę.
Zaniechanie pracy nad ulepszaniem istniejących odmian (hodowli zachowawczej) prowadzi do szybkiego pogorszenia się materiału siewnego i spadku plonów. Natomiast tworzenie nowych odmian - (hodowla twórcza) należy uznać za najszybszy i najbardziej istotny czynnik zwiększenia plonów u roślin.
Podobnie jak w hodowli zwierząt można osiągnąć lepsze wyniki w uprawie roślin poprzez polepszenie warunków środowiskowych, wpływających na fenotyp. Czynnikiem wpływającym głównie na uprawę jest gleba a przede wszystkim zawartość w niej niezbędnych do życia makro i mikroskładników. Wieloletnim efektem zabiegów uprawnianych jest zmiana 3 zasadniczych elementów składowych gleby fazy stałej, płynnej i gazowej. Wynikiem tego są zmiany stosunków powietrznych, wodnych i termicznych w roli a także biotycznych.
Pielęgnowanie roślin uprawnych polega na zabiegach, które eliminują niekorzystne warunki lub je ograniczają.
Pozbawione pielęgnacji rośliny nie dają wysokich plonów, mogą także całkowicie wyginąć. Wadliwe zmianowanie obniża plony, jak również prowadzi do powstawania chorób płodozmianowych. Ułożenie racjonalnego zmianowania zapewni dooślinom najlepsze warunkbójc wzrostu i rozwoju i uzyskania z nich wysokich plonów. Zmianowanie składa się z kilku członów (2-4) w skład, których wchodzą roślina niezbożowa a poniżej kłosowa np.:

1) ziemniak - owies 2) łubin - żyto

Oddziaływanie środowiska może w bardzo poważnym stopniu przesunąć wartość cechy w kierunku dodatnim lub ujemnym.
Przekonujące doświadczenie na wpływ czynników dziedzicznych i środowiskowych na skutek selekcji przeprowadził na początku XX w. genetyk Johansen.
Prowadził on selekcję na masę i ciężar nasion fasoli. Badany materiał wykazywał dużą zmienność pod względem masy (nasiona duże, średnie, małe). Wybrał nasiona duże i małe, które wysiano osobno i okazało się, że nasiona pochodzące z roślin otrzymanych z nasion dużych są większe niż nasiona otrzymane fasoli małej.
Doświadczenie wykazało, że cecha ciężaru jest dziedziczna, a selekcja prowadzona na tę cechę skuteczna. W następnym doświadczeniu Johansen wybrał nasiona duże i małe pochodzące od tej samej rośliny, po czym wysiał oddzielnie. Po zebraniu okazało się, że średnia masa nasion fasoli pochodzącej z nasion dużych i małych nie różni się od siebie, czyli wniosek-selekcja nie była skuteczna w tym wypadku.
Wyjaśniło się to w ten sposób, że fasola jest rośliną samopylną, czyli rośliny potomne pochodzą od jednej i tej samej rośliny rodzicielskiej. Samozapłodnienie u osobników symopylnch powoduje homozygotyczność osobników w populacji. Brak zróżnicowania genetycznego w potomstwie rośliny samopylnej nie jest skutkiem samozapłodnienia, lecz homozygotycznośći rośliny macierzystej. Homozygotyczność jest następstwem stosowanego przez kilka pokoleń samozapłodnienia. Potomstwo rośliny samopylnej tworzy tzw. linię czystą, w obrębie której wszystkie osobniki są genetycznie jednakowe.
Spadek heterozygotyczności występuje, więc na skutek samozapłodnienia. Rozważanie na temat skutków samozapłodnienia są niezbędne dla zrozumienia doświadczenia Johansena.
W I przypadku wybierał z próby nasiona małe i duże, czyli miał do czynienia ze zróżnicowaną genetycznie populacją tzn. nasiona duże różniły się od małych genetycznie i przekazywały te cechy potomstwu.
W przypadku drugim nasiona pochodziły z jednej rośliny, czyli genetycznie były jednakowe, a różnice wielkości wynikały wyłącznie z przyczyn środowiskowych.

WNIOSEK: z doświadczenia Johansena - Selekcja w obrębie czystej linii jest nie skuteczna, a modyfikacje w tym przypadku pochodzą od warunków środowiskowych i zmiany te nie są dziedziczne.

Krzyżowanie polega na kojarzeniu 2 genetycznie różnych osobników prowadzących do powstania mieszańców, które mają inne kombinacje cech niż rodzice i stanowią materiał wyjściowy do wyhodowania nowych odmian.
Wybrane rośliny do krzyżowania mogą być blisko spokrewnione (np.: należą do 1 odmiany) mogą też pochodzić z różnych odmian populacji lub gatunków, a nawet rodzajów. Na podstawie stopnia pokrewieństwa wyróżnia się:
II) Krzyżowanie wewnątrzodmianowe - stosuje się u roślin obcopylnych daje efekty w przypadku krzyżowania form wyraźnie zróżnicowanych rzadko stosowane u roślin samopylnych.
Krzyżowanie gatunkowe i międzygatunkowe może być stosowane tylko u niektórych roślin np. pszenica, żyto.

WNIOSEK: Celem krzyżowania jest uzyskanie form, które łączyłyby cechy roślin rodzicielskich i mogłyby się stać materiałem hodowlanym. Również dzięki krzyżowaniu można uzyskać zjawisko heterozji.

Efekty krzyżowania
a) - większa zmienność roślin przystosowanych do nowych środowisk, b) - nowe kombinacje cech,
c) - transgresja, d) - epistaza,
e) - nowe sprzężenie genów,
f) jeżeli określona cecha roślin jest "jednogenowa" to w niewielkim stopniu uległa wpływom środowiska. Jest to ważne dla hodowców, bo dziedziczy się na podstawie praw Mendla - cechy wielogenowe powodują dużą różnorodność mieszańców, ale utrudniają hodowlę,
g) Zjawisko transgresjii można przedstawić

P AA bb x aa BB
F1 Aa Bb
F2 AA BB ......... aa bb

A więc wykształcenie się jakiejś cechy powyżej zakresu zmienności form rodzicielskich następuje na skutek sumowania efektów genów dominujących i odwrotnie, pogorszenie przez sumowanie genów recesywnych
Epistaza jest formą współdziałania genów, polegająca na oddziaływaniu jednego genu na fenotypowe przejawianie się innego genu lub genów nie allelicznych w taki sposób, że fenotyp jest uwarunkowany tylko przez pierwszy gen.
Zjawisko to umożliwia powstanie zupełnie nowych kombinacji.
Sprzężenie genów (patrz t. Morgana), czyli łączenie przekazywanych genów zlokalizowanych w 1 chromosomie
W hodowli może mieć skutek dodatni lub ujemny np. występuje sprzężenie genów warunkujących odporność na rdzę źdźbłową pszenicy z genami warunkującymi późne dojrzewanie pewnych linii pszenic. W hodowli wyróżnia się różne formy krzyżowania w zależności od celu prowadzonej hodowli:
a) krzyżowanie proste,
b) krzyżowanie wielokrotne, c) krzyżowanie zwrotne,
d) krzyżowanie wsteczne

AD. a) Polega na jednorazowym skrzyżowaniu dwóch wybranych form rodzicielskich.
AA x BB lub AA x bb
AD. b) Pochodzące ze skrzyżowania prostego mieszańce należy ponownie krzyżować z jakąś inną odmianą o znanych i pożądanych cechach i wreszcie uzyskanego nowego mieszańca jeszcze raz skrzyżować z jeszcze inną cenną odmianą [AA x BB x CC] x DD.


ad c) krzyżowanie zwrotne AA x BB i BB x AA stosuje się wtedy gdy przypuszczamy, że istnieje wpływ plazmy na dziedziczenie danych cech.
ad d) krzyżowanie według schematu (AA x BB) x AA
Przez krzyżowanie wsteczne roślin pokolenie F1 (A x B) z jedną z form rodzicielskich np. AA zwiększa się liczbę genów odmiany AA w potomstwie, przytłumiając wpływ genów drugiego rodzica (BB). Krzyżowanie to umożliwia ulepszanie odmian plennych i dobrych, ale przejawiających pewne wady.
Przy krzyżowaniu ważne jest ustalenie czy dany gatunek jest obcopylny czy samopylny, czy jest formą pośrednią.
Zjawisko heterozji i wykorzystanie go w hodowli
Skrzyżowanie różnych form, odmian lub linii daje często mieszańca oznaczającego się bujnością wzrostu, plennością. Jest to heterozja bujność mieszańców
Heterozja występuje silniej u form homozygotycznych, (które powstają w wyniku wielokrotnego samozapylenia)
Rośliny takie jak np. żyto, lucerna po pewnym czasie mogą być samopylne. Po umieszczeniu ich pod izolatorem wydają nasiona powstałe przez samozapylenie. Rośliny, które z nich wyrosną są słabe a następne pokolenie będzie jeszcze mniej żywotne.
Zjawisko nazywa się depresją wywołaną chowem wsobnym.
Chów wsobny - zwiększa homozygotyczność, dzieli populację na różniące się linie, zmniejsza żywotność roślin, eliminuje osobniki o czynnikach letalnych. Prowadzenie chowu wsobnego prowadzi do uzyskania tzw. linii wsobnych np. u żyta, kukurydzy, które są wykorzystane w hodowli heterozyjnej. Heterozję tłumaczy się gromadzeniem u uzyskanych ze skrzyżowania mieszańców większej liczby cech dominujących. Wykształcenie jakiejś cechy zależy nie tylko od działania poszczególnych genów, ale od wzajemnego współdziałania kilku genów. Dlatego też efekt heterozji przypisuje się korzystnej kombinacji wzajemnie współdziałających genów.
Cechą heterozji jest nietrwałość, tzn. pełny efekt heterozji występuje tylko w F1 po czym w dalszych pokoleniach przy samozapyleniu dość szybko maleje: Efekty heterozji czyli bujności mieszańców mogą dotyczyć wszystkich znanych cech użytkowych roślin np. zwiększenie nasion co powoduje ich szybszy wzrost i rozwój dotyczy również właściwości fizjologicznych roślin. Poliploidalność polega na zwielokrotnieniu garnituru chromosomalnego powstałe formy to poliploidy w odróżnieniu od zwierząt mają znaczenie pozytywne w rolnictwie.
Mutacje poliploidalne można wywołać stosując kolchicynę. W 1938 r, odkryto poliploidyzacyjne działanie kolchicyny, która jest alkaloidem znajdujących się w nasionach ziemniaka (Colchicum).
Pod wpływem kolchicyny zachodzi zaburzenie przebiegu mitozy, komórka się nie dzieli, powiększa swoją objętość, a jądro ma dwukrotną liczbę chromosomów. Jeżeli nadal działa się kolchicyną liczba chromosomów może się zwielokrotnić, dlatego działanie nią należy przerwać. Innym mutagenem jest accnaffen.
Temperatura działa również jako mutagen tzn. w niskich temperaturach mejoza jest zahamowana i mogą powstać gamety o nie zredukowanej liczbie chromosomów (2n) i po połączeniu dają 4n (tetraploid).
Wybór roślin poliploidalnych przeprowadza się w praktyce hodowlanej kilkoma sposobami -- metodą mikroskopową rozdziela się osobniki 2n od poliploidalnych lub stosuje się kontrolę chromosomów za pomocą analizy cytologicznej barwi się chromosomy i liczy pod mikroskopem. Poliploidalność prowadzi najczęściej do zwiększenia objętości komórki. Wykazano jednak, że nie wszystkie organy poliploidów powiększają się jednakowo. Zmiany te określone jako gigantyzm organów.
Poliploidy mają zwykle mniej szparek oddechowych na powierzchni liścia stąd intensywność parowania jest mniejsza, dlatego są bardziej odporne na suszę.
Efektem poliploidyzacji jest również zwiększenie owoców, co ma znaczenie w sadownictwie.
Najbardziej korzystne są tetraploidy 4n u form z wyższą liczbą chromosomów zachodzą pewne nieprawidłowości w wykształceniu organów. Rewolucją w rolnictwie jest hodowla poliploidalnych buraków cukrowych i pastewnych i jak wykazano buraki 3n.odznaczają się najkorzystniejszymi cechami.
Obecnie ciągle pracuje się nad tworzeniem nowych odmian w tym celu oprócz indukowania mutacji oraz wyżej wymienionych metod stosuje się hodowlę z 1 komórki w celu wyhodowania całego organizmu, tak np. postępuje się z komórkami roślin uprawnych w kulturach komórkowych poddanych działaniu mutagenów. Metodą stosowaną dość powszechnie w hodowli roślin jest klonowanie, które polega na powstawaniu osobników potomnych w wyniku rozmnażania wegetatywnego (rodzaj rozmnażania bezpłciowego) z jednego osobnika rodzicielskiego. Powstałe osobniki mają ten sam genotyp jak organizm macierzysty - zbiór tych osobników nazywa się klonem. Klonowanie jest jedną z metod stosowaną również w inżynierii genetycznej (patrz inżynieria genetyczna). Klonowanie ma ogromne znaczenie w konstruowaniu bakterii i grzybów o nowych właściwościach. W przypadku roślin prowadzi się próby przeniesienia do genomów roślin uprawnych tych wszystkich genów, których produkty - białka enzymatyczne uczestniczą w wiązaniu azotu atmosferycznego.
Drogi te prowadzą do otrzymania roślin np. zbożowych zdolnych do symbiozy z bakteriami Rhizobium lub innymi bakteriami wiążącymi azot atmosferyczny. Otrzymanie takich roślin miałoby ogromne znaczenie w rolnictwie.

INŻYNIERIA GENETYCZNA - CZYLI TWORZENIE PRZEZ CZŁOWIEKA
NOWYCH UKŁADÓW GENETYCZNYCH

Człowiek od dawna ingerował w układy genetyczne zwłaszcza zwierząt hodowlanych i roślin uprawnych (patrz zastosowanie genetyki).
W ciągu ostatnich lat zaczęto do celów praktycznych wykorzystywać wiadomości zebrane przez genetykę molekularną.
Najlepszym przykładem wykorzystania genetyki molekularnej jest inżynieria genetyczna. Technika inżynierii genetycznej polega na wycinaniu z jednego genomu określonego genu i wstawianiu go do innego organizmu, i badaniu zachowania tego genu - tzn. czy ulega replikacji i ekspresji.
Dla zrozumienia zabiegów inżynierii genetycznej niezbędne jest zapoznanie się z mechanizmem działania wektorów budową plazmidów, bakteriofagów oraz znajomość genetyki bakterii oraz zapoznanie się ze specjalnymi enzymami tnącymi DNA na małe odcinki - restryktazami.
Wektorami są plazmidy i wirusy.
Wirusy- są na pograniczu materii ożywionej i nieożywionej. Zbudowane są z otoczki białkowej - Kapsyd, który zbudowany jest z mniejszych jednostek - kapsomerów. Rdzeń wirusa stanowi DNA lub, RNA co jest podstawą klasyfikacji wirusów. Wirusy poza komórką są inertne (występują w postaci krystalicznej) cechy życia wykazują tylko jak pasożytują tzn. w komórkach gospodarza. Odkryte w 1892 przez Iwanowskiego - (wirus mozaiki tytoniowej) i uzyskany w postaci krystalicznej w 1935 r przez W.M. Stanleya. Do tej pory otrzymano wiele wirusów w formie krystalicznej.
Krystaliczne wirusy, wprowadzone ponownie do komórek gospodarza namnażały się i wywoływały objawy chorobowe.
Dalsze badania polegały na rozdzieleniu części wirusa na część białkową i kwas nukleinowy, a następnie łączeniu ich ponownie odtwarzając aktywne cząstki wirusa.
Wprowadzenie samego kwasu nukleinowego wirusa do komórki stanowiło bodziec do wytwarzania przez nie zarówno specyficznego dla danego wirusa kwasu nukleinowego, jak i specyficznego białka kapsydu, a więc do odtwarzania kompletnych cząstek wirusowych.
Mechanizm działania wirusa polega więc na tym, że wprowadzony kwas nukleinowy wirusa powoduje w komórkach gospodarza wytwarzanie białka, o którym informacja jest zakodowana w kwasie nukleinowym wirusa. - Na tym polega, więc istota pasożytnictwa wirusów. W komórkach gospodarza poza tym szybko mnożą się (replikacja DNA lub odwrotna transkrypcja w przypadku wirusów
z RNA)
Mechanizm pasożytnictwa wirusów wykorzystany jest w metodach inżynierii genetycznej.
Wirusy danego typu porażają specyficzne dla nich części organizmu gospodarza, mogą się bowiem rozmnażać wyłącznie w określonych komórkach np. wirusy ospy, odry, brodawek atakują skórę, wirusy paraliżu dziecięcego Heinego Medina, wścieklizny atakują mózg i rdzeń kręgowy a wirusy żółtej febry - wątrobę.
Zwalczanie wirusów polega na stosowaniu szczepionek. Organizm (komórka) zwalcza wirus poprzez tworzenie się interferonu jako następst wo dostania się wirusa do komórki.
Interferon jest białkiem podobnym do hemoglobiny zwalczającym wirusy, które dostały się do komórki.
Wykazano, że interferon działa skuteczniej niż przeciwciała. Interferon jest stosowany obecnie do zwalczania i leczenia wielu chorób nowotworowych np. stosowany jest przy leczeniu białaczki.

Wirusy odegrały również rolę w hipotezach dotyczących biogenezy według jednej, pierwszymi organizmami na ziemi były "prawirusy" według innej wirusy powstały z plazmidów, czyli jako patologiczne fragmenty komórek bakteryjnych i na drodze np. rekombinacji wytworzyły białkowy kapsyd. Mechanizm pasożytnictwa wirusów wykorzystany jest w inżynierii genetycznej.

Bakteriofagi - czyli fagi to wirusy pasożytujące na bakteriach na określonym szczepie, jednak nie udało się ich wykorzystać w zwalczaniu chorób bakteryjnych. Zbudowane z główki i ogonka.

Działanie bakiariofaga polega na:
- przyczepianiu do komórki bakteryjnej za pomocą białkowego ogonka enzym w ogonku rozpuszcza ścianę komórkową bakterii
- rdzeń, czyli kwas nukleinowy faga wstrzyknięty jest do komórki gospodarza
- otoczka białkowa główki i ogonka pozostaje na zewnątrz

Do komórki gospodarza wnika, więc tylko DNA faga powodując syntezę białek wirusowych.

Plazmidy niewielkie koliste cząsteczki DNA w komórkach bakteryjnych nazwano plazmidami. Występują oprócz chromosomu bakteryjnego. W plazmidach jest miejsce do którego może przyłączyć się plimeraza DNA dlatego mogą się replikować. Plazmidy są wi4c niezależnymi małymi chromosomami bakteryjnymi, które łatwo jest wyizolować z komórki.
Wektory, wirusy, fagi i plazmidy, które są nośnikami w inżynierii genetycznej tzn. do nich dołącza się obce geny i w ten sposób wprowadza do komórki gospodarza.

Obecnie znanych jest wiele wektorów, które można używać do wprowadzenia obcego DNA do komórek bakteryjnych, natomiast mało jest wektorów za pomocą, których wprowadza się obcy DNA do eukaryota.

Mechanizm włączania obcych genów do wektorów
Obce geny włączone są do wektorów w ściśle określonym miejscu dzięki działaniu restryktaz.

Restryktazy przecinają cząsteczkę DNA w ściśle określonym a nie dowolnym miejscu. Restryktazy przecinają również cząsteczkę DNA wektora i włączają w to miejsce obcy DNA - czyli są wykorzystane do wprowadzenia obcych genów.

ZASADA TECHNIKI INŻYNIERII GENETYCZNEJ

a) wbudowanie poszukiwanego genu do plazmidu - plazmid posiada 2 geny oporności na antybiotyki a i b. W obrębie genu a znajduje się sekwencja nukleotydowa DNA (s) rozpoznawana i przecinana przez restryktazę. DNA -b- badany, który chcemy zrekombinować z DNA plazmidu, i na którym znajduje się gen x kodujący interesujące białko X.
1 - DNA plazmidu i DNA - b poddajemy działaniu restryktazy DNA plazmidu zostaje przecięte w jednym miejscu, w obrębie genu a DNA - b cięte jest na wiele odcinków, z których jeden może zawierać poszukiwany przez nas gen X.
Przy cięciu DNA przez restryktazę powstają odcinki DNA wyposażone w "lepkie końce". Następnie mieszamy rozcięte DNA plazmidowe z odcinkami DNA (b).
DNA plazmidowe dzięki "lepkim końcom" może się z powrotem zamknąć w strukturę kolistą, a odtwarzając pierwotny plazmid. DNA plazmidowe może jednak dzięki tym samym "lepkim końcom" połączyć się z odcinkiem DNA - b i zamknąć nową strukturę kolistą, składającą się z DNA plazmidowego i ze wstawionego odcinka DNA b. Powstanie plazmid przekonstruowany.
DNA plazmidowe wprowadzamy do bakterii komórki, do których nie wniknie DNA plazmidowe, będą wrażliwe na obce antybiotyki a i b. Komórki, które pobiorą oryginalny, pierwotny plazmid, będą oporne na oba antybiotyki. Komórki, do jakich uda się nam wprowadzić plazmid przekonstruowany, zawierający DNA-b, będą oporne na antybiotyki b, a wrażliwe na a, gdyż jeden gen oporności "a" został unieczynniony przez wstawienie odcinka obcego DNA. Wśród takich bakterii opornych tylko na antybiotyk b, któraś może zawierać odcinek DNA - b z genem X i produkować białko X.
Tę metodę nazywamy "strzelaniem na ślepo", gdyż o otrzymaniu klonu bakterii zawierającego gen X decyduje przypadek.
b) izolacja DNA genu X - izolujemy mRNA kodujący białko X, mieszamy je ze zdenaturowanym DNA - b RNA wiąże się tylko z komplementarnym doń genem X.

Nie złączone z mRNA jednoniciowe DNA rozkładamy za pomocą specjalnego enzymu nukleazy S, (działa tylko na pojedyncze nici DNA).
Nie rozłożone pozostaje jedynie DNA genu X, chronione przez związane z nim mRNA.
mRNA usuwamy innym enzymem, DNA genu X replikujemy. Wykorzystując jeszcze jeden enzym doczepiamy do odcinków DNA - b genu X wolne końce zbudowane z samych adenin; z przeciętego DNA plazmidowego usuwamy "lepkie końce" i doczepiamy dalej za pomocą enzymu. Mieszany DNA plazmidowe i DNA genu X i dalej postępujemy jak poprzednio.
Stosując metody inżynierii genetycznej można ciąć DNA różnych organizmów, wstawić je do naturalnych lub sztucznych plazmidów i wraz z nimi wprowadzać je przede wszystkim do komórek bakteryjnych.
Dążeniem inżynierii genetycznej jest wykorzystanie genów jednego organizmu, w drugim dzięki przenoszeniu obcego DNA oraz izolacji DNA określonego genu.
Często stosowaną rnetodą jest "strzelanie na ślepo", w metodzie tej izolujemy z interesującego nas organizmu DIVA, a następnie tniemy go na liczne odcinki za pomocą restryktazy za pomocą tej samej restryktazy tniemy DNA plazmidu - wektora.
Dobieramy przy tym taki plazmid, by dany enzym ciął DNA plazmidowe tylko w jednym miejscu w obrębie genu nadającemu bakterii oporność na antybiotyk. DNA plazmidowe normalne będące kolisto zamkniętą helisą przekształca się w łańcuch otwarty DNA.
Lepkie końce - zakończenia DNA wynikają ze szczególnej symetrii, jaka występuje w obrębie sekwencji wewnątrz DNA, gdyż działają restryktazy.
Lepkie końce odnajdują się i łączą się dzięki temu, że są komplementarne. Pocięte DNA interesującego nas organizmu zwierzęcego mieszamy z przekształconymi w otwartą strukturę DNA plazmidowym.
Odcinki DNA zwierzęcego i rozcięte DNA plazmidowe zaopatrzone są w lepkie końce - dzięki komplementarności (odcinek DNA zwierzęcego może połączyć się z DNA plazmidu).
W wyniku powstanie pewna liczba jakby nowych cząsteczek DNA plazmidowego, zamkniętych kolisto i zawierających, poza właściwym DNA plazmidu wstawiamy odcinek DNA zwierzęcego. Wstawiony odcinek DNA zwierzęcego jest dobierany losowo- inaczej mówiąc może to być dowolny z wielu wybranych odcinków, na jakie DNA zwierzęce zostało pocięte przez restryktazę.
Na nielicznych spośród tych odcinków może znajdować się poszukiwany przez nas gen.
Takie zrekonstruowane plazmidy wprowadzamy kwas drogą transfromacji do komórek bakteryjnych.
Jeżeli plazmid stosowany jako wektor jest nosicielem 2 różnych genów nadających bakteriom oporność na 2 różne antybiotyki, a jeden z tych genów pozostaje nie uszkodzony przy działaniu restryktazy na DNA plazmidowe możemy się przekonać, czy udało się nam wprowadzić plazmid do bakterii. Bakterie do których wprowadzony jest plazmid staną się oporne na 1 z 2 antybiotyków. O tym, czy wprowadzony plazmid jest oryginalnym pierwotnym plazmidem, czy też zrekonstruowanym, zawierającym odcinek DNA zwierzęcego można się przekonać badając wrażliwość bakterii na drugi antybiotyk. Dobrano taki plazmid, by mniejsze cięcie przez enzym restrukcyjny znajdowało się w obrębie genu nadającego bakteriom oporność na ten drugi antybiotyk.
Jeżeli bakteria po wprowadzeniu plazmidu staje się oporna na pierwszy antybiotyk a pozostaje wrażliwa na drugi, można wnioskować, że wniknął do niej plazmid z wstawionym odcinkiem obcego DNA.
Plazmid oryginalny nada bakterii oporność na oba antybiotyki. Aby przekonać się czy udało się wprowadzić ze zrekonstruowanym plazmidem do bakterii interesujący gen należy stwierdzić czy bakteria wytwarza swoiste białko kodowane przez ów gen.
Należy sprawdzić, czy gen pochodzący z innego organizmu ulega w bakterii ekspresji. Najprostszym zabiegiem jest przekształcanie odcinków DNA sąsiadujących z samym genem. Do genu, który koduje białko można doczepić promotor lub operator wycięte z operonu bakteryjnego. Powstająca w ten sposób struktura zachowuje się jak gen bakteryjny-czyli zachodzi jego ekspresja jak w przypadku innych genów bakteryjnych.
Drugim warunkiem sprawdzenia, czy bakteria zawiera obcy gen jest "zmuszanie" jej do wytwarzania dużych ilości produktu tego genu. Można to osiągnąć przez zwiększenie kopii tego genu, czyli w jednej komórce bakterii jest paręset komórek i danego plazmidu.
Jeżeli będzie to plazmid zrekonstruowany z wstawionym obcym genem obcy gen będzie występował w komórce bakteyjnej w tak samo dużej ilości kopii.
Ostatnim etapem jest izolowanie z hodowli bakteryjnej białka kodowanego przez obcy gen zawarty w plazmidzie i z kolei identyfikacje tego białka przez zbadanie jego aktywności biologicznej i właściwości. (izolowanie genu)
Inne metody polegają na izolowaniu mRNA a następnie mieszanie go z całością zdenaturowanego jednoczęściowego DNA, czyli dzięki komplementarności tworzy się połączenie mRNA i DNA następnie pod wpływem specyficznych enzymów rozkłada się DNA poza tymi odcinkami, które będą połączone z mRNA, a więc poza genami, które nas interesują. Jednoczęściowy DNA będący poszukiwanym przez nas genem replikuje się i otrzymuje się x helix DNA pożądanego genu. Można doczepić do niego także "lepkie końce" i postępować tak jak w metodzie "strzelania na ślepo".
W tym wypadku zrekonstruowany plazmid będzie zawierał poszukiwany przez nas gen.
Inny sposób wykorzystania wyizolowanego swoistego mRNA opiera się na klasyfikacji wirusa tzn. istnieją oprócz wirusów z DNA wirusy z RNA wytwarzające bardzo swoisty enzym. Jest to enzym katalizujący odwrotną transkrypcję, czyli enzym replikujący DNA na RNA - enzym odwrotna transkryptaza. Dysponując czystym wyizolowanym mRNA oraz odwrotną transkryptazą można na mRNA zreplikować odcinek DNA komplementarny do niego. Będzie on identyczny z genem, z którego pochodzi mRNA. W rezultacie otrzymujemy pojedynczą nić DNA poszukiwanego genu. Dalej postępujemy jak poprzednio.
W inżynierii genetycznej wykorzystuje się znajomość struktury DNA i kodu genetycznego.
Wiele odcinków DNA ma określone sekwencje, czyli znana jest sekwencja nukieotydowa genu. O sekwencji nukleotydów genu można wnioskować na podstawie kolejności ułożenia aminokwasów w białku.
Obecnie opracowano metody syntezy DNA bez udziału organizmów innych np. otrzymano insulinę złożoną z 51 aminokwasów, lub niektóre neurohormony zbudowane z kilku aminokwasów.
Zastosowanie inżynierii genetycznej pozwala na otrzymanie nowych odmian bakterii mających określone pożądane cechy lub dzięki inżynierii genetycznej istniejów zżliwość wprowadzenia gen?ţwierzęcych do bakterii w celu otrzymania odmian bakterii tworzących białka zwierzęce, co ma zastosowanie w szybszej i tańszej produkcji białek.
Głównym obiektem badań inżynierii genetycznej są bakterie. Wprowadzanie obcego DNA do komórek organizmów wyższych jest bowiem trudne. Można obecnie wyizolować z organizmu i hodować komórki i tkanki zwierzęce, do których następnie wprowadza się obcy DNA. Badania dotyczą transformowania zygot lub gamet zwierzęcych np. myszy. ten sposób wprowadzono do organizmu myszy nowe geny. (np. geny królika)
Transformacja komórek roślinnych jest trudniejsza ze względu na ścianę celulozową.
Zabiegi polegające na całych komórkach lub jądrach komórkowych nazwano inżynierią komórkową np. połączono komórki pochodzące z różnych gatunków zwierząt - technika komórek mieszańcowych pozwoliła na uzyskanie jednorodnych przeciwciał - zwanych monoklonowymi. Technika ta ma duże znaczenie praktyczne, gdyż otrzymując przeciwciała w sposób zwykły z krwi zwierzęcia uodpornionego uzyskuje się mieszaninę różnych przeciwciał, natomiast komórki mieszańcowe tworzą wyłącznie 1 rodzaj przeciwciał.
Ostatnią techniką szeroko obecnie stosowaną jest klonowanie. Klonem nazywamy potomstwo jednego osobnika mnożącego się bezpłciowo, a zatem genetycznie identycznego w stosunku do siebie jak i do organizmu macierzystego.
Klonowanie oznacza metodę otrzymywania klonów, a więc zbioru osobników identycznych genetycznie i z organizmów rozmnażających się wyłącznie płciowo. Np. z zapłodnionego jaja żaby usunięto jądro zygoty na jego miejsce wprowadzono jądro pobrane z komórki nabłonka jelitowego innej żaby. Okazało się, że "zmienione jajo" rozwijało się normalnie powstała dorosła żaba. Jajo, z którego ta żaba wyrosła miało jądro diploidalne zawierające geny identyczne z genami żaby, z tkanki, której pobrano jądro. Otrzymano żabę pod względem genetycznym identyczną z żabą, od której pochodziło jądro wprowadzone sztucznie do jaja. W ten sposób można otrzymać klony zupełnie identycznych osobników stąd pochodzi termin klonowanie.
Nie udało się do tej pory klonować ssaków, jednak otrzymano np.: homozygotyczne myszy tzn. mające na homologicznych chromosomach identyczne geny ułożone identycznie.
Obecnie można otrzymać z hodowli tkankowej komórek roślinnych homozygotyczne rośliny. Łącząc komórki roślinne można otrzymać komórki mieszańcowe.
Z hodowli takich komórek można otrzymać całą nową roślinę, czyli z hodowli komórek mieszańcowych można otrzymać całe mieszańce roślinne, co ma znaczenie praktyczne.
W ostatnim czasie opracowano metodę otrzymywania tzw. fenokopii mutacji.
Fenokopiami mutacji nazywamy osobniki, w których ujawniają się cechy charakterystyczne dla danej mutacji, jednak bez zmodyfikowania materiału genetycznego. Prawdziwe fenokopie otrzymane zostały przez Jacoba przez zablokowanie translacji określonego genu, otrzymane fenokopie były raczej przypadkowe. Badania inżynierii genetycznej pozwoliły również na lepsze poznanie problemu nowotworów.

Znaczenie genetyki we współczesnym świecie

Znaczenie genetyki we współczesnym świecie

Genetyka to nauka o zmienności i dziedziczeniu u organizmów żywych. Zajmuje się między innymi badaniem i wyjaśnianiem informacji genetycznej DNA. W zależności od zakresu badanych problemów wyróżnia się m.in. genetykę klasyczną, molekularną, biochemiczną, cytogenetykę, genetykę lekarską..
Za ojca genetyki uważa się tego człowieka:
Mendel Gregor Johann -ur. 1822, zm.1884, czeski przyrodnik, zakonnik, twórca teoretycznych podstaw współczesnej genetyki, które ustalił doświadczalnie (na grochu siewnym) i sformułował w 1866. Niedocenione przez współczesnych, ponownie odkryte w 1900 przez C. Corrensa, E. Tschermaka i H. de Vriesa (niezależnie od siebie) znane pod nazwą praw Mendla..
Mendla, pierwsze prawo: prawo czystości gamet; mówi, że pary czynników dziedzicznych (dziś nazywanych allelami genów), określających poszczególne cechy, rozchodzą się w czasie powstawania komórek rozrodczych obu rodziców pojedynczo, tzn. do każdej gamety wchodzi tylko jeden czynnik z każdej pary. Rozumowanie to jest aktualne do dziś w stosunku do genów chromosomowych.
Mendla, drugie prawo: prawo niezależnej segregacji; prawo J.G. Mendla mówiące, że czynniki determinujące poszczególne cechy, a należące do rozmaitych par, wchodzą do komórek rozrodczych w czasie ich powstawania niezależnie od siebie i następnie losowo łączą się ze sobą w procesie zapłodnienia.

W XIX wieku Mendel miał do dyspozycji tylko pędzelek, którym zapylał groch. W dzisiejszych czasach możliwości jest o wiele więcej. Naukowcy wciąż szukają nowych sposobów na wprowadzanie genów o szczególnych właściwościach do DNA roślin i zwierząt. Przejawem tego w codziennym życiu jest zmutowana żywność - dziedzina ogromnie obiecująca, ale i przedmiot sporów.
Nowy, wspaniały świat inżynierii genetycznej - mutowanie żywności to prawdziwy róg obfitości. Specjaliści w produktach tej nowej biotechnologii roztaczają taką wizję: pomidory pękają z przepełnienia przeciwrakowymi związkami chemicznymi, a zbiory bogatego w witaminy ryżu( np. „złoty ryż” z witaminą A), patatów i manioku pomagają wyżywić biednych. Widzą również pszenicę, soje i orzeszki ziemne wolne od alergenów, banany w których podaje się szczepionkę, oleje roślinne zawierające tyle składników leczniczych, że lekarze przepisują je pacjentom zagrożonym nowotworem lub chorobą serca.
Choć wizje te są piękne, to niektórzy widzą w inżynierii genetycznej niepewność, a nawet zagrożenie. Krytycy obawiają się, że jej produkty wprowadzane są na rynek w pośpiechu, przed pełnym rozpoznaniem ich oddziaływania.
Co to właściwie takiego - żywność modyfikowana genetycznie? Kto to je? Co wiemy o jej dobrodziejstwach, a co o związanym z nią ryzykiem? Jak ) wpłyną naϑ„biotechnologiczne rośliny”(ładna nazwa, prawda Pani Elu? środowisko i praktykę rolniczą w świecie? Na to wszystko postaram się odpowiedzieć w dalszej części referatu. Zrobię to w postaci pytań i odpowiedzi.
Pytanie: Kto się odżywia produktami biotechnologicznymi?
Odpowiedź: Według wszelkiego prawdopodobieństwa - niemal wszyscy.
Ponad 60 % przetworzonych artykułów spożywczych na półkach amerykańskich supermarketów zawiera składniki pochodzące z genetycznie modyfikowanego ziarna sojowego, kukurydzy lub rzepaku, uprawianych już na 53 mln. hektarów w 13 krajach, m.in. w Argentynie, Kanadzie, Chinach, RPA, Australii, Niemczech, Hiszpanii. Ponad 50 nowych, „zaprojektowanych” odmian roślin przeszło już procedurę opiniującą władz federalnych USA. Pytanie: Od jak dawna genetycznie modyfikujemy żywność?
Odpowiedź: Znacznie dłużej niż myślisz.
Modyfikacje genetyczne to żadna nowość. Ludzie od tysiącleci zmieniali strukturę genetyczną roślin, zachowując nasiona z najlepszych zbiorów na lata następne i krzyżując odmiany, by uzyskiwane płody rosły większe, były słodsze i psuły się później. Tak przekształciliśmy dziki pomidor Lycopersicon, dający owoce wielkości landrynki, w dzisiejszą gigantyczną malinówkę. Z chwastu teozinte o 2 cm wiesze wywodzi się kukurydza z kolbami długości 30 cm . W ostatnich dziesięcioleciach specjaliści uzyskali setki wariantów roślin, posługując się mutagenami i promieniowaniem.
Nowe są natomiast techniki inżynierii genetycznej. Tradycyjni hodowcy odmian gatunkowych krzyżują organizmy spokrewnione, których struktura genetyczna jest podobna. Czyniąc to, przenoszą dziesiątki tysięcy genów. Dziś specjaliści inżynierii genetycznej przemieszczają po parę genów między gatunkami luźno lub w ogóle niespokrewnionymi. Inżynieria genetyczna pozwala na wyodrębnienie potrzebnego z niemal każdego żywego organizmu i wstawienie go do innego, praktycznie dowolnego żywego organizmu. Genetycy mogą gen szczurzy umieścić w sałacie, by uzyskać roślinę, która wytwarza witaminę C.
Organizmy tworzone przez naukowców drogą przenoszenia genów z jednego gatunku do drugiego są określane jako transgeniczne. Płody wielu transgenicznych np. zbóż są obecne na rynku. Większość zmian została opracowana, by wspomóc rolników walczących ze szkodnikami i chorobami roślin.
Rolnicy opryskują pola herbicydami, by tępić chwasty. Odmiany stworzone przez biotechnologię mogą mieć „gen odporności”, który pozwala im znosić opryski chemikaliami zabijającymi niemal wszystkie inne rośliny. Niektóre biotechnologiczne odmiany wytwarzają również własną toksynę owadobójczą dzięki genowi pożyczonemu od pospolitej bakterii glebowej Bacillus thuringiensis, w skrócie Bt.
Kod genów Bt jest odpowiedzialny za toksynę uważaną za nieszkodliwą dla człowieka, a zabójczą dla niektórych owadów np. omatnicy prosowianki - zmory plantatorów kukurydzy. Inne rośliny np. dynia i papaja , były modyfikowane pod kątem uzyskania odporności na choroby. Ostatnio naukowcy eksperymentowali z ziemniakami, wprowadzając do nich geny pszczół i ciem w celu stworzenia osłony przed zarazą ziemniaka.
Uczeni stworzyli już transgeniczne zwierzęta. Łosoś atlantycki zimą rośnie wolniej, ale łosoś transgeniczny „podrasowany” hormonami wzrostu pobranymi z innych ryb, osiąga wielkość rynkową w czasie o połowę krótszym od normalnego. Wprowadza się też obce geny do organizmów owiec i krów, tak by wytwarzały w mleku farmaceutki, ale nie pojawiły się one jeszcze na rynku.
Pytanie: Czy żywność biotechnologiczna jest bezpieczna dla człowieka?
Odpowiedź: Według naszej dotychczasowej wiedzy, tak.
Genetycznie modyfikowaną żywność kontrolują w USA Departament Rolnictwa ( USDA), Agencja Ochrony środowiska (EPA) oraz Federalny Urząd ds. Żywności i Leków (FDA). Ten ostatni analizuje dane o alergenach i toksyczności przedkładane przez firmy z własnej inicjatywy. Jeśli nowe produkty nie stanowią odpowiednika produktów konwencjonalnych, muszą przejść dodatkowe testy.
System kontroli żywności modyfikowanej działa dość dobrze, to jednak czasami coś może prześlizgnąć się przez sieć bezpieczeństwa. Istnieje możliwość pojawienia się nowego białka z właściwościami uczulającymi w żywności biotechnologicznej, tak jak może się to zdarzyć z żywnością konwencjonalną i ewentualność, że nie zostanie to w porę wykryte. W 2000 roku okazało się, że kukurydza StarLink przeznaczona tylko na paszę dla zwierząt znalazła się w chipsach i innych produktach. Usunięto wtedy tę odmianę z rynku.
W dyskusjach o wpływie nowej żywności na zdrowie często pomija się fakt, że przy spełnieniu pewnych warunków kukurydza uodporniona na owady może zwiększyć bezpieczeństwo odżywiania się ludzi i zwierząt. Kukurydza zaatakowana przez owady często zawiera duże ilości fumonizyn, toksyn wytwarzanych przez grzyby przenoszone na ciałach owadów. Grzyby te rozrastają się w uszkodzonych miejscach rośliny. Analizy wykazały związek fumonizyn z rakiem u zwierząt. Substancje te mogą spowodować nowotwór u człowieka. Wśród ludzi jedzących dużo kukurydzy notuje się dużo zachorowań na raka typu esophageal, który naukowcy łączą z fumonizynami. Tymczasem w kukurydzy Bt jest ich mniej niż na roślinach na których żerują owady.
Uważam, że żywność modyfikowana może być swobodnie dostępna na rynku, powinna być jednak specjalnie znakowana, by klienci mieli prawo wyboru.
Pytanie: Czy żywność modyfikowana może zaszkodzić środowisku?
Odpowiedź: Zależy kogo się zapyta.
Krytycy martwią się, że uprawy roślin modyfikowanej genetycznie zajmują już miliony hektarów, choć nie rozpoznano należycie ich długofalowego działania.
Obrońcy inżynierii genetycznej zwracają uwagę, że rośliny przez nią oferowane są alternatywą wobec pestycydów niosących skażenie terenu i wód gruntowych.
Jaki mógłby być skutek oddziaływania roślin biotechnologicznych na stworzenia, które je odwiedzają? W 1990 roku badania wykazały, że pyłek kwiatowy kukurydzy Bt szkodzi gąsienicom motyla monarcha (odżywiającym się liśćmi mniszka lekarskiego, który często rośnie na polach kukurydzy). Wielu obrońców środowiska uznało to za dowód, że tego typu uprawy są groźne dla przyrody, ale badania w terenie wykazały, że zagęszczenie pyłku Bt rzadko przekracza niebezpieczny poziom.
Prawdopodobnie większym zmartwieniem powinna być ewolucja owadów. Uprawy, które stale zawierają Bt, mogą przyspieszyć ewolucję owadów niewrażliwych na pestycydy. Taka populacja pozbawiłaby rolników jednego z najbezpieczniejszych środków do zwalczania szkodników.
Aby zahamować ewolucję odpornych owadów, wprowadzono szczególne reguły dla rolników uprawiających rośliny Bt. Muszą oni obok pola biotechnologicznego utrzymywać „ azyl” - poletko upraw tradycyjnych. Chodzi o to, by część owadów odpornych na Bt kojarzyła się z nieodpornymi sąsiadami. Wynikiem mogłoby być odporne na Bt potomstwo.
Wielu ekologów uważa, że największym problemem jest niekontrolowany przepływ genów. Wędrujące geny dające roślinom hodowlanym odporność na choroby, szkodniki i pozwalające przetrwać w trudnych warunkach wzrostu mogą również wzmocnić chwasty, powodując ich niepohamowane rozmnażanie. Choć na razie ni ma wiadomości o superchwastach, to może być tylko kwestią czasu.
Pytanie: Czy żywność biotechnologiczna może pomóc w wykarmieniu świata?
Odpowiedź: Wciąż istnieją przeszkody, które trzeba pokonać.
800 milionów ludzi na świecie jest niedożywionych i ta liczba wciąż rośnie. Inżynieria genetyczna może pomóc rozwiązać problem głodu. Ta technologia jest uniwersalna i łatwo ją stosować.
Jednakże nie jest to panaceum absolutne. „ Jest jednak podstawowym narzędziem w zestawie środków, do którego należy też racjonalne gospodarowanie wodą, glebą i odpowiednie postępowanie ze szkodnikami ” (Channapatna Prakash - indyjski naukowiec).
Fragment z gazety „Wprost”:
„Genowi strażnicy”
„Przeciwnicy żywności modyfikowanej genetycznie być może będą mogli odetchnąć z ulgą. Na rynku pojawi się prawdopodobnie żywność mająca wszelkie zalety modyfikowanej, lecz pozbawiona obcych genów. Pim Stemmer z amerykańskiego Departamentu Rolnictwa stworzył genowego strażnika zwanego Egzorcystą, który gwarantuje, że do pyłku i nasion produkowanych przez zmienione rośliny nie przedostaną się obce geny. W tym celu wykorzystał białko rekombinazę, występujące normalnie u wirusów atakujących bakterie. Chociaż na razie metoda nie sprawdza się w 100 %, uczony jest dobrej myśli.”
Pytanie: Co dalej?
Odpowiedź: Ostrożnie do przodu.
Przyszłość pokaże, czy spełnią się obietnice likwidacji głodu na świecie i podniesienia jakości życia dzięki żywności biotechnologicznej. Jej możliwości są ogromne, ale niesie też ryzyko i zagrożenia, a za błędy w ocenie możemy płacić w sposób, jakiego nie umiemy sobie nawet wyobrazić. Największym z możliwych błędów byłoby jednak całkowite odrzucenie lub przyjęcie na ślepo tej nowej technologii. Jeśli będziemy starannie analizować jak, gdzie i dlaczego wprowadzamy produkty genetycznie zmodyfikowane, testować je wszechstronnie, zdołamy właściwie porównać ciężar ryzyka z pożytkiem, jaki mogą przynieść najbardziej potrzebującym.

Napisałam o genetycznie modyfikowanej żywności. Teraz poruszę temat, który budzi najwięcej kontrowersji z działów genetyki - klonowanie .
Trzy lata temu na naszej planecie pojawił się pierwszy ssak stworzony na drodze klonowania - słynna owieczka Dolly. Klonowanie polega na tworzeniu nowego organizmu na podstawie informacji zakodowanej w materiale genetycznym pojedynczej komórki innego, dorosłego organizmu, a biologiczny wiek komórki w dużym stopniu zależy od stanu DNA, dlatego niektórzy naukowcy ciągle zastanawiają się, czy komórki Dolly są pełnowartościowe pod względem genetycznym i czy sklonowane zwierzęta nie będą starzeć się w przyspieszonym tempie albo częściej chorować. Krótko mówiąc, nie wiadomo, czy komórki sklonowanych zwierząt nie są biologicznie starsze od tych zwierząt.
Między innym dlatego trudno jest w tej chwili myśleć o zastosowaniu klonowania w medycynie. Nawet gdyby można było wyhodować zastępczą nerkę z jednej komórki chorego człowieka, to w tej chwili żaden lekarz nie odważyłby się wszczepić jej swojemu pacjentowi. Jeśli sklonowane komórki naprawdę są biologicznie niepełnowartościowe, to sklonowana nerka mogłaby przedwcześnie się zestarzeć i przestać działać. Mogłoby się też okazać, że w takich sklonowanych narządach łatwiej powstają nowotwory. A przecież podstawowa zasada medycyny mówi: przede wszystkim nie szkodzić...
Za szybkie starzenie się sklonowanych zwierząt uniemożliwiłoby też wykorzystanie klonowania w biotechnologii. Kto chciałby klonować nawet najcenniejsze pod względem genetycznym zwierzęta hodowlane, gdyby okazało się, że sklonowane owce, świnie czy krowy przedwcześnie starzeją się i zdychają?
Właśnie dlatego naukowcy tak skrupulatnie przyglądają się Dolly i innym sklonowanym zwierzętom i starają się wykryć u nich oznaki przedwczesnego starzenia. Owieczka Dolly do tej pory rozwija się zupełnie prawidłowo, ale w zeszłym roku stwierdzono, że jej telomery są krótsze niż powinny być.
Telomery - zakończenia chromosomów - są molekularnym zegarem, który mierzy biologiczny wiek komórek. Po każdym podziale telomery troszkę się skracają, a kiedy ich długość za bardzo się zmniejszy, komórka przestaje się dzielić i zaczyna się starzeć.
Wprawdzie telomery nie są jedynym wskaźnikiem wieku komórek, a w dodatku telomery Dolly były krótsze od telomerów innych owiec tylko o 20 procent, ale i tak wszyscy potraktowali tę wiadomość jako pierwsze poważne ostrzeżenie dla entuzjastów klonowania.
Jednak zaskakujące wyniki najnowszych badań sugerują, że nie trzeba aż tak bardzo martwić się biologicznym wiekiem sklonowanych organizmów. Amerykańscy naukowcy zmierzyli telomery sklonowanych przez siebie cieląt i stwierdzili, że telomery klonów są dłuższe niż telomery innych krów w tym samym wieku!
Jest to tym większa niespodzianka, że Amerykanie wykorzystali do klonowania komórki, które już weszły w okres starości i przestały się dzielić. Telomery tych komórek były bardzo krótkie. Jednak klonowanie w jakiś sposób odmłodziło komórki, i to tak bardzo, że - sądząc po długości telomerów - komórki sklonowanych cielaków są biologicznie młodsze od komórek zwykłych cieląt.
Skąd wzięła się taka różnica pomiędzy Dolly a sklonowanymi krowami? Nie wiadomo. Może z powodu różnic międzygatunkowych, a może większe znaczenie miała inna technika klonowania. A może nadmierne skrócenie telomerów w starych komórkach, które zostały użyte do sklonowania krów, pobudziło komórki rozwijającego się zarodka do szybszego wydłużania zakończeń chromosomów?
Naukowcy jeszcze w inny sposób potwierdzili, że sklonowane komórki rzeczywiście zostały odmłodzone. Każda komórka jest zaprogramowana na określoną ilość podziałów; potem, gdy jej telomery za bardzo się skrócą, przestaje się dzielić. W warunkach laboratoryjnych komórki klonów potrafiły podzielić się średnio 93 razy, a komórki zwykłych cieląt - tylko 61 razy. Oczywiście biologiczny wiek organizmu nie zależy tylko od biologicznego wieku komórek, ale naukowcy twierdzą, że sklonowane krowy mogą żyć o połowę dłużej niż ich zwykłe koleżanki. Gdyby podobne wyniki udało się osiągnąć u ludzi, to nasze klony żyłyby około 180-200 lat.
Na razie musimy się jednak dowiedzieć, jak długo będą żyły sklonowane krowy. Z punktu widzenia praktyka rzeczywista długość życia organizmu jest o wiele ważniejsza niż ilość podziałów jego komórek czy długość telomerów. Ale już teraz wiemy, że kwestia biologicznego wieku sklonowanych organizmów jest bardziej skomplikowana, niż wydawało się wcześniej. Wiemy też, że klonowanie nie zawsze prowadzi do biologicznego postarzania komórek. Między innymi dlatego tworzenie zastępczych narządów ludzkich na drodze klonowania staje się coraz bardziej realne.

Pisząc ten referat doszłam do wniosku, że we współczesnym świecie genetyka jest wszędzie. Musimy dowiedzieć się o niej jak najwięcej, by znać jej możliwości - i zagrożenia jakie może nam przynieść.

---