Myszy i ludzie
W paz
dzierniku ub. roku Craig Venter z amerykańskiej firmy biotechnologicznej
Celera Genomics odczytał zapis całego genomu myszy. Wiadomość nie wywołała tak
wielkiego zainteresowania, jak wcześniejsze oświadczenie Ventera, że odczytano
cały genom człowieka. Głośniej było również teraz, gdy 15 lutego ogłoszono prawie
kompletną mapę ludzkiego genomu. Tymczasem ta hierarchia zainteresowania jest
niesłuszna: dopiero zestawienie informacji dotyczących genomów człowieka i myszy
będzie przełomem i otworzy drogę do ich stosowania w medycynie.
W genetyce upatruje się dziś lekarstwa na kłopoty zdrowotne ludzkości: od kataru po
raka i schizofrenię. Przyczyny wielu chorób lub skłonności do zapadania na nie są
bowiem często związane z mutacjami genów. Rozpoznając te geny i ich mutacje
będziemy więc mogli przewidzieć występowanie tych chorób. A mając możliwość
manipulowania genami, np. w postaci terapii genowej, będziemy mogli im
zapobiegać i je leczyć.
Aby jednak przejść od badań do zastosowań, trzeba poznać zapis zawarty w genach i
zrozumieć ich działanie. Konieczne są żmudne eksperymenty, wykazujące funkcje
poszczególnych genów i zmiany chorobowe wywołane przez ich mutacje.
Prowadzenie ich na komórkach ludzkich in vitro nie zawsze jest łatwe i pozwala
jedynie na poznanie roli danego genu w tym, a nie innym typie komórek. A to tylko
część problemu i dlatego niezbędne są badania funkcji danego genu w całym
organizmie. Ze względów etycznych wyklucza się tego typu badania na ludziach 
wyjściem jest przeprowadzenie ich na modelowym organizmie zwierzęcym.
Idealnym jest laboratoryjna mysz. Dlatego poznanie genomu myszy ma takie
znaczenie dla poznania funkcji genów człowieka.
Naukowa przygoda z genami zaczęła się przeszło sto lat temu na Morawach.
Augustianin Grzegorz Mendel tuż po święceniach został wysłany do miejscowości
Znojmo. Miał tam zostać nauczycielem w gimnazjum. Bratu Grzegorzowi nie
wystarczało jednak prowadzenie lekcji, miał żyłkę eksperymentatora. Intrygowało
go, jakie cechy będzie miało potomstwo zwykłej szarej myszy po skrzyżowaniu jej z
białą.
Nie było mu jednak dane poznanie wyników tego doświadczenia. Gdy miejscowy
biskup dowiedział się, po co Mendel hoduje myszy, zakazał niecnych eksperymentów
i szybko przeniósł mnicha do klasztoru w Brnie. Tu Mendel zajął się uprawą
klasztornego ogródka. Ciekawość kazała mu kontynuować prace nad dziedziczeniem
barwy  tym razem kwiatów i nasion groszku. Tego biskup nie zakazywał  może nie
przypuszczał, że rośliny groszku, podobnie jak myszy, rozmnażają się płciowo. Dzięki
temu Mendel odkrył dwa prawa o dziedziczeniu cech. Właśnie one dały podwaliny
nowej nauki  genetyki.
Pierwsze mówiło, że za wykształcanie się różnych cech roślin grochu odpowiedzialne
są tzw. parzyste elementy dziedziczności. Elementy te nazwano póz
niej genami.
Drugie, że cechy  np. kolor kwiatów i kształt nasion grochu  są dziedziczone
niezależnie od siebie. Wyniki prac Mendla pozostawały nieznane naukowcom przez
ponad 30 lat i doceniono je dopiero w 1900 r. Okazało się, że prawa te są
uniwersalne (choć to drugie nie było do końca prawdziwe), bo dotyczą nie tylko
grochu, ale i wszystkich organizmów, z człowiekiem włącznie.
CZYM S
GENY
Jeszcze przez kilka lat geny pozostawały ezoterycznymi elementami dziedziczności,
których nie umiano zlokalizować w obrębie komórki. Dopiero badania Thomasa
Hunta Morgana na muszce owocowej (uwieńczone Noblem w 1933 r.) pozwoliły
umiejscowić geny w pałeczkowatych strukturach komórkowych, zwanych
chromosomami.
Struktury te znane były biologom wcześniej, ale nie znano ich funkcji. Morgan
wykazał, że geny, ułożone liniowo w chromosomach, przekazywane są z komórki do
komórki w procesie podziału komórkowego. I że podobny mechanizm przekazywania
genów zachodzi w trakcie podziału, zwanego mejozą, a poprzedzającego tworzenie
gamet: plemników i jaj. W procesie tym liczba chromosomów redukowana jest do
połowy. Zapłodnienie, dające początek nowemu organizmowi, pozwala na połączenie
się puli chromosomów  a więc i ich genów  pochodzących od ojca i matki, oraz na
odtworzenie takiej ich liczby, jaka była w komórkach przed podziałem.
Poznając następstwo mejozy i zapłodnienia zrozumiano, dlaczego pierwsze prawo
Mendla mówi o parzystej liczbie genów, determinujących daną cechę. Stało się też
jasne, że jego drugie prawo dotyczy genów zgromadzonych w różnych
chromosomach.
Morganowi zawdzięczamy też możliwość mapowania genów w obrębie
chromosomów. Udowodnił on, że w odpowiednio wybarwionych gigantycznych
chromosomach muszki owocowej można zauważyć pod mikroskopem prążki, których
pozycja odpowiada poszczególnym grupom genów. Dzięki temu odkryciu można było
tworzyć pierwsze mapy genów w chromosomach różnych organizmów.
10 lat po Nagrodzie Nobla dla Morgana wykazano, że nośnikiem informacji
genetycznej jest kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), budujący chromosomy wraz z
licznymi białkami. Tego odkrycia dokonano, badając przekazywanie cech wśród
bakterii Escherichia coli, czyli pałeczki okrężnicy. Wykazano, że w procesie płciowym
bakterie przekazują sobie nawzajem swoje DNA. Badając, ile czasu potrzeba na
przekazanie danego genu z jednej bakterii do drugiej, zidentyfikowano najpierw
geny  szybkie i  powolne , a następnie określono kolejność wszystkich znanych
genów w chromosomie bakterii. W ten sposób po raz pierwszy zmapowano ułożenie
genów w DNA.
AATGCAATTG...
W tym miejscu koniecznych jest trochę informacji dla laika trudnych, ale
koniecznych. Otóż w 1953 r. James Watson i Francis Crick opisali strukturę DNA i
wyjaśnili, jak następuje jego powielanie. To pozwoliło zrozumieć istotę genu i
przeniosło naszą wiedzę o dziedziczeniu na poziom molekularny. Obaj uczeni
wykazali, że DNA zbudowany jest z dwóch nici nukleotydów oznaczonych symbolami:
A, T, C i G. W obu niciach dobierają się one zawsze parami: A-T i C-
-G. Jeśli w jednej z nici znajduje się ciąg, czyli  jak mówią genetycy  sekwencja
nukleotydów (np. AATGCAATTG), to w drugiej nici jest tzw. sekwencja
komplementarna (dla naszego przykładu: TTACGTTAAC). To ten mechanizm doboru
nukleotydów, tworzących obie nici DNA powoduje, że informacja genetyczna może
być bezbłędnie powielana.
Takimi właśnie sekwencjami nukleotydów są geny (tyle że o wiele dłuższymi niż
przedstawiony przykład). W dodatku zaopatrzone są w specjalne sekwencje,
zaczynające i kończące każdy gen  stąd możliwość szybkiego określenia, ile genów
znajduje się w zsekwencjonowanym genomie. Oczywistym było, że tylko jedna z nici
może zawierać sensowną informację genetyczną  nazwano ją nicią sensowną.
Druga nić zawiera informacje nonsensowne i służy jedynie do powielania siostrzanej
nici sensownej. Dzięki obecności krótkich sekwencji, odgrywających role znaczników
w sensownej nici DNA, komórka rozpoznaje, która z nich zawiera użytecznę
informacje.
Tu dochodzimy do kwestii rozpoznawania, co jest zapisane w sekwencji nukleotydów
DNA. Otóż każda komórka naszego organizmu dysponuje skomplikowaną maszynerią
enzymatyczną, odczytującą informacje zakodowane w sekwencji nukleotydów jej
DNA. Przy jej wykorzystaniu informacja genetyczna jest przepisywana z DNA na
inny, tym razem jednoniciowy polimer nukleotydów  kwas rybonukleinowy (RNA).
Informacja zawarta w RNA jest z kolei przepisywana na sekwencje białek,
tworzonych z cząsteczek aminokwasów przy udziale struktur komórkowych,
zwanych rybosomami.
Dla zrozumienia mechanizmu odczytywania sekwencji DNA niezbędne było złamanie
kodu genetycznego.
KOD ŻYCIA
Dokonali tego Marshal Nirenberg i Har Gobind Khorana (za co dostali Nobla w 1968
r.): udowodnili, że kod genetyczny jest wspólny dla wszystkich organizmów, od
wirusów i bakterii do człowieka.
Rola kodu genetycznego jest prosta: umożliwia on  tłumaczenie sekwencji
nukleotydów na sekwencje aminokwasów w białkach. Białka zaś są zarówno
budulcem każdej komórki, jak i enzymami prowadzącymi komórkowe reakcje
chemiczne. Właśnie powielanie się informacji genetycznej w DNA i enzymatyczna
aktywność białek są dwoma podstawowymi atrybutami materii żywej.
Geny przejawiają aktywność głównie w postaci białek, choć mogą też czasem
ograniczać się do samego RNA. Liczne choroby genetyczne, wynikające z uszkodzeń
DNA lub z błędów przy przepisywaniu informacji genetycznej na RNA i na ciągi
aminokwasów, są spowodowane obecnością w komórkach zmienionego RNA i
zmienionych białek. Takie cząsteczki RNA i białka nie mogą spełniać odpowiednich
funkcji, ponieważ mają inne właściwości niż ich niezmutowane wzorce. Np. przy
dziedzicznej skłonności do raka piersi często zmutowany jest gen o nazwie BRCA1.
Przyczyną chorób genetycznych może być zarówno brak, jak nadmiar danych genów i
ich białkowych produktów. Np. w przypadku choroby o nazwie fenyloketonuria
brakuje enzymu odpowiedzialnego za przetwarzanie aminokwasu fenyloalaniny w
inny aminokwas o nazwie tyrozyna. Gromadzący się m.in. w komórkach układu
nerwowego produkt przejściowy przetwarzania fenyloalaniny (kwas
fenylopirogronowy) powoduje niedorozwój umysłowy i fizyczny.
Z kolei przyczyną innej genetycznej choroby, zespołu Downa, jest nadmiar wielu
genów i ich produktów. Chorzy mają w jądrze komórkowym każdej komórki ciała o
jeden chromosom (oznaczony numerem 21) za dużo. Zatem zamiast jednej pary
genów, mają po trzy kopie każdego genu z tego chromosomu. A genom człowieka
zawiera 23 pary chromosomów. Brak lub zwielokrotnienie każdego z nich, albo tylko
fragmentów któregoś z chromosomów może powodować śmiertelną chorobę. Zespół
Downa jest jedną z łagodniejszych typów takich chorób, a zwielokrotnienia innych
chromosomów są prawdopodobnie śmiertelne już w trakcie życia płodowego.
Poznanie zapisu naszego genomu umożliwi więc szybką identyfikację tych genów,
których mutacje powodują choroby  taka była główna myśl, przyświecająca przed
10 laty naukowcom z opłacanego z publicznych pieniędzy międzynarodowego
konsorcjum Human Genome Project (HGP), którzy rozpoczęli sekwencjonowanie
całego ludzkiego genomu.
GENOM I PATENTY
Odczytanie genomu człowieka  czyli poznanie całości informacji genetycznej
niezbędnej do funkcjonowania organizmu  było największym wyzwaniem
współczesnej biologii. A dzięki reklamie, którą był publiczny wyścig prywatnej firmy
Celera Genomics (którą kieruje Venter) z HGP stało się symbolem przełomu
tysiącleci. Teraz, gdy odczytywanie tej informacji zostało zakończone, wyzwaniem
jest poznanie funkcji poszczególnych genów.
Genetycy pracujący nad rozwikłaniem zagadek ludzkich genów brali udział w
odczytywaniu genomów innych organizmów: tuzina bakterii, dwóch gatunków
drożdży, żyjącego w glebie nicienia i muszki owocowej. Craig Venter jest jednym z
nich i to jego ekipa przed kilku laty po raz pierwszy ogłosiła odczytanie genomu
bakterii Haemophilus influenzae.
Kiedy w maju 1998 Venter oznajmił, że takim samym nakładem kosztów (200 mln
dolarów) jego firma własną metodą dokończy sekwencjonowanie ludzkiego genomu,
i to w czasie krótszym niż HGP, wywołał nerwowe poruszenie wśród naukowców
kierujących rządowym projektem. Zaczęła się wojna nerwów.
Kością niezgody stały się pieniądze. Venter postanowił sfinansować swój prywatny
projekt odczytania genomu człowieka dochodami z opatentowania sekwencji
nukleotydów, tworzących zapis genów interesujących przemysł farmaceutyczny. HGP
zaś przekazywało informacje pochodzące z odczytywania kolejnych fragmentów DNA
do banku genów. Przez Internet ma do nich dostęp każdy zainteresowany 
oczywiście za darmo. W końcu Venter pod presją opinii publicznej musiał wycofać się
z pomysłu opatentowania swego odkrycia.
Teraz wojna toczy się o to, co można patentować: same geny czy zastosowania
uzyskane z ich odczytania. Miejmy nadzieje, że i ten spór skończy się pomyślnie dla
HGP, które broni wolnego dostępu do informacji o nas samych.
JAK DZIAA
A GENOM
Genom człowieka składa się z 3 miliardów nukleotydów i zawiera około 30 tys.
genów. Poza klasycznymi genami istnieją w naszym genomie olbrzymie (ponad 98
proc. całego genomu) obszary, których funkcji nie znamy. Podejrzewa się, że część z
nich zaangażowana jest w koordynowanie uaktywniania się genów. Kontrola ta
sprawia, że np. hemoglobina pojawia się tylko w dojrzewających czerwonych
ciałkach krwi, a nie znajdziemy jej w białych ciałkach, choć oba typy krwinek
zawierają tę samą informację genetyczną.
Ta ogromna ilość informacji jest bez przerwy przetwarzana w każdej komórce
organizmu. Część genów jest aktywowana, inna pozostaje w uśpieniu. Zmiany te
mogą następować bardzo szybko: geny aktywne są za chwilę wyłączane, a te
uśpione  aktywowane do produkcji RNA i białek. Niektóre geny pozostają aktywne
w ciągu całego życia: to one kodują enzymy regulujące podstawowe funkcje
komórek. A są w naszym genomie również takie geny, które mają okazję ujawnić
swą aktywność bardzo rzadko, np. raz w życiu organizmu, albo nawet raz na kilka
pokoleń. Dzięki temu skoordynowanemu procesowi włączania i wyłączania genów
zachodzi nasz rozwój: od zapłodnionego jaja, przez różnicujące się komórki zarodka,
do dojrzałego organizmu.
Istnieją również inne sposoby regulacji aktywności genów, które mają znaczenie nie
tylko np. dla rozwoju zarodka (bez kontroli aktywności naszych genów
jednokomórkowa zygota nie jest w stanie przejść nawet jednego podziału), ale także
dla funkcjonowania komórek mózgu i procesu kontroli podziałów komórkowych
także u dorosłych. Prawidłowa regulacja aktywności genów niezbędna jest też do
hamowania procesów nowotworowych.
Regulacja pracy naszego genomu jest procesem niezwykle skomplikowanym. Bez
jego znajomości trudno zrozumieć, ile wysiłków muszą włożyć naukowcy, by poznać
funkcjonowanie naszych genów i całego genomu.
Co jednak ważne: istnieją w naszym genomie ogromne obszary, które nie mają
struktury genów. Funkcji tych regionów nie znamy. Geny są więc tylko drobną
częścią informacji genetycznej, w dodatku nieregularnie rozsianą w genomie.
DA
UG U MYSZY
Poznanie samej mapy genów jest tylko wstępem do poznania tajemnic
funkcjonowania komórek. Aby zrozumieć instrukcje tworzenia i funkcjonowania
organizmu, niezbędne jest odkrycie zależności, regulujących aktywność genów i
mechanizmów pozwalających na ich współdziałanie. A do tego niezbędne jest
porównanie struktury i mechanizmów rządzących organizacją naszego genomu z
genomami innych organizmów wielokomórkowych. Dysponujemy już zapisem całego
genomu muszki owocowej i mikroskopijnej wielkości robaka z grupy nicieni. Ich
genomy, choć dostarczają wielu informacji, różnią się jednak bardzo od genomu
człowieka. Na szczęście bliski już końca proces sekwencjonowania genomu myszy
obiecuje naukowcom najlepszy materiał do porównań.
Dlaczego mysz? Otóż, aby badać funkcje genu, najlepiej pozbyć się go z genomu albo
zmodyfikować sekwencje jego zapisu i obserwować efekt tego zabiegu w komórkach
i całym organizmie. Techniki te najłatwiej stosować u laboratoryjnej myszy. Stosując
metody inżynierii genetycznej, pozwalające na wymianę fragmentów DNA na inne,
można usuwać z genomu wybrane geny. Dokonuje się tego w pierwszych fazach
rozwoju zarodka myszy, co pozwala na wyhodowanie dorosłej myszy pozbawionej
wybranego genu, a więc i jego produktów (RNA i białka). Myszy pozbawione np.
genu o nazwie Kip1, a więc i kodowanego przez ten gen białka p27Kip1, są większe i
bardziej podatne na nowotwory. Można więc wnioskować, że białko p27Kip1 bierze
udział w kontroli wzrostu i podziałów komórkowych. A badając inne szczegóły
zmodyfikowanych genetycznie myszy, można opisać funkcje danego genu.
Z powodów etycznych nie można tak eksperymentować na zarodkach ludzkich.
Jednak podobnych zabiegów dokonuje się w procesie terapii genowej, gdy np. do
komórek krwi pobranych od pacjenta wprowadza się prawidłowy gen i następnie tak
spreparowane komórki wszczepia do jego krwioobiegu. W procesie tym nie usuwa
się jednak  złego genu, a jedynie uzupełnia genom chorych komórek  zdrowym
genem. W przypadku niektórych chorób, gdy  zły produkt genu zatruwa komórkę,
jedynym ratunkiem będzie zastąpienie zmutowanego genu przez gen zdrowy.
Od niedawna istnieje też metoda tzw. wyciszania genów, co pozwala na czasowe
wyłączenie aktywności wybranego genu np. w zarodku myszy. Dzięki niej można
obserwować efekt braku aktywności wybranych genów na rozwój zarodka. Tą drogą
uda się zapewne w przyszłości wyciszać, przynajmniej na jakiś czas, zmutowane
geny będące przyczyną chorób genetycznych.
Znając całość zapisu genomu myszy i człowieka, można będzie zidentyfikować mysie
odpowiedniki ludzkich genów. Używając metod usuwania lub wyciszania genów u
myszy, będziemy mogli badać funkcje poszczególnych genów, nie ingerując w zapis
genów zarodków ludzkich. Ludzkość zaciąga więc teraz dług właśnie u laboratoryjnej
białej myszki...
GENOM  I DUSZA
Skoro można testować odpowiedniki genów człowieka u myszy, to co różni nas od
zwierząt? Czy w naszym genomie jest miejsce na geny odpowiedzialne za naszą
duchowość, a nie ma ich u myszy? Czy są geny określające to, co Arystoteles
nazywał eidos, a św. Tomasz  duszą?
Odwieczny dylemat, na ile metodami naukowymi można poznać to, co należy do
sfery wiary, religii i kultury, pojawia się znowu, gdy mamy przed sobą prawie
kompletne księgi ludzkich i mysich genów. Ale nawet znając 100 proc. ich zapisu, nie
zdołamy odpowiedzieć na to pytanie. Czy 26-30 tys. ludzkich genów potrafi zapisać
całą różnorodność naszych cech? Począwszy od zdolności mówienia, pisania,
zgadywania, a na komponowaniu muzyki, tworzeniu poezji czy obrazów
skończywszy. Czy te cechy i zdolności są zapisane w naszym genomie? A nienawiść,
głupota, bezmyślność? Dziś możemy jedynie domniemywać, że są one wynikiem
pewnej kombinacji naszych genów, ale nie możemy tego sprawdzić.
Nie da się wyhodować myszy, która odtworzy koncert Chopina. Nasze geny to
bowiem tylko szkielet  rusztowanie tego, czym jesteśmy. Wyznaczają one jedynie
ramy, które wypełniamy, świadomie lub nie, przez oddziaływania ze środowiskiem 
którym jest zarówno płyn wypełniający jajowód w momencie naszego poczęcia, jak
płyn, w którym pławimy się przez 9 miesięcy życia płodowego, a następnie czułe
słowa, dotyk i gesty matki i ojca, kontakty z rówieśnikami, z całym otoczeniem. Nie
tylko nasze geny decydują, czy będziemy mądrzy, mili, grzeczni. Również to, co
przeżyliśmy, wpływa na nasze człowieczeństwo.
Geny dają nam tylko możliwość realizowania marzeń. Dają nam świadomość, którą
wypełniamy już sami, tylko pośrednio korzystając z ich udziału. Poza genami jest
jeszcze coś, czego nie rozumiemy, a co pozwala wypełnić rusztowanie dane nam
przez genom. To coś czujemy i jedynie w niewielkim stopniu potrafimy określić
słowami. To metafizyka genomu.
Jakże przyjemne jest uczucie, że jednak nie da się opisać nas całych, bez reszty,
jedynie przy pomocy kilku liter: A, C, G i T.