Co kryje się w dwóch metrach dziedziczności?
Każda komórka człowieka skrywa w sobie podwójną helisę DNA o całkowitej długości 2 m. Jedną z największych zagadek natury jest zaś to, że 30/35 tys. ludzkich genów zajmuje w dwóch metrach DNA zaledwie3 cm! Do czego służy reszta? Genetycy o wszystkim, co leży poza genami, mówili junk DNA, czyli DNA niekodujące. Byli pewni, że zdecydowana większość informacji dziedzicznej w rzeczywistości nie jest żadną informacją, lecz stanowi rodzaj ewolucyjnego balastu.
Gdy na początku lat 90. ubiegłego wieku decydowano o odczytaniu ludzkiej informacji genetycznej (tzw. Projekt poznania ludzkiego genomu: Humań Genome Project, HUGO Project), niektórzy szanowani genetycy proponowali, aby pominąć DNA niekodujące i odczytać tylko geny. Dziś wiemy, jak wielkim błędem byłoby spełnienie ich propozycji. W tajemnice DNA niekodującego uczeni zagłębili się przed dekadą, gdy rozpoczął się projekt ENCODE.
Uczestnicy ENCODE sprawdzili aktywność informacji dziedzicznej 147 różnych typów komórek ludzkiego ciała. Już na początku projektu podejrzewano, że w DNA człowieka wiele dzieje się nawet poza genami. Zachowanie podobne do genów wykazuje 62% DNA! Na dwóch metrach informacji dziedzicznej aktywne odcinki zajmują 1,25 m. W jednym typie komórek jest ich trochę mniej – zazwyczaj zabierają 45 cm. Geny w większości przypadków niosą informacje niezbędne do produkcji białek, które są potrzebne do budowy i prawidłowego funkcjonowania organizmu. Informacja dziedziczna zawarta poza genami determinuje produkcję łańcuchów kwasów rybonukleinowych. Uczeni pierwotnie uważali je za odpad powstały w trakcie aktywności genów. Dziś już wiemy, że łańcuchy te odgrywają w komórkach rolę regulatorów! Jeśli działają prawidłowo, w komórce panuje porządek. Jeśli zawiodą, pojawia się chaos. Może się on objawić jak nowotwór.
W komórkach człowieka występuje ok. 9 tys. „małych” łańcuchów regulacyjnych kwasów rybonukleinowych. Zazwyczaj składają się z 20 liter kodu genetycznego. Na podstawie informacji genetycznej człowieka w komórkach powstaje również ok. 10 tys. typów dużo dłuższych łańcuchów, które składają się z 200 liter kodu genetycznego. Te krótsze i dłuższe łańcuchy potrafią hamować, wytłumiać ekspresję genów. Mogą również działać jako swoisty napęd ludzkiego genomu. Niekiedy ma to dobry, a kiedy indziej zły wpływ na organizm. Np. jeden typ krótkiego łańcucha popycha komórki nowotworowe do przemieszczania się po ciele chorego i rozsiewania się do innych tkanek i organów. Jeśli konkretne odcinki DNA nie przepracowują się i nie produkują kwasów rybonukleinowych, nie oznacza to, że są niepotrzebne w informacji genetycznej. Wiele odcinków informacji genetycznej służy jako „pas startowy” dla innych cząsteczek. Podwójna helisa nie jest w komórce „naga”. Otacza ją bogata mieszanka białek i innych cząsteczek. Wielkość i jakość tej „otoczki” determinuje zachowanie informacji genetycznej. Dwie komórki z identyczną, ale inaczej zapakowaną informacją genetyczną zachowują się diametralnie różnie. Otoczka DNA wpływa na to, czy w mózgu powstanie neuron, a w obrębie skóry komórka naskórka. Decyduje również o tym, czy komórka będzie prawidłowo działać w błonie śluzowej żołądka, czy zmieni się w śmiertelny nowotwór. Jeśli weźmiemy pod uwagę również „pasy startowe”, okazuje się, że niezbędne do życia jest 80% informacji genetycznej. Ludzkie ciało składa się z 230 typów komórek. Uczeni nie przetestowali jeszcze genomu człowieka we wszystkich warunkach. Dlatego jest wielce prawdopodobne, że również pozostałe 20% genomu, dla których nie znaleziono jeszcze żadnych funkcji, w niektórych komórkach odgrywa istotną rolę. Jest prawdopodobne, że 100% DNA człowieka spełnia w naszym ciele jakieś zadanie, twierdzi Ewan Bimey. Nazwa „zbyteczne” stała się niepotrzebna.
Jakie choroby ostrzą sobie na nas zęby? Gdy w 2000 r. opublikowano wstępny opis genomu człowieka, naukowcy wierzyli, że otrzymali klucz do „komnaty tajemnic”. Miały się w niej znajdować czynniki podwyższające ryzyko zachorowania na choroby takie jak rak, miażdżyca, schizofrenia czy choroba Alzheimera. Choroby te są w znacznym stopniu uwarunkowane genetycznie, chociaż duży wpływ na ich powstanie ma także nasz styl życia. Palaczowi grozi o wiele większe niebezpieczeństwo zachorowania na raka płuc, ale nawet ten, kto w życiu nie miał papierosa w ustach, nie jest odporny na ten nowotwór. Genetycy poszukiwali wariantów DNA, które występowałyby w informacji genetycznej częściej u osób cierpiących na daną chorobę. Jednakże nie znaleźli takich wariantów DNA w informacji genetycznej człowieka. Zdecydowana większość z nich nieznacznie podwyższała ryzyko zachorowań. Pomimo to było oczywiste, że choroby mają podstawy genetyczne, ponieważ często występują wśród krewnych. Tymczasem dowody umykały genetykom…Choroby pochodzą z DNA niekodującego! Uczeni coraz częściej wspominali o „brakującej dziedziczności” – fragmentach DNA, które mają znaczący wpływ na ludzkie zdrowie, ale są niewidoczne w informacji dziedzicznej. Wielu podejrzewało, że w dziedziczności uczestniczą także rejony DNA uznawane dotychczas za niekodujące. Wyniki projektu ENCODE potwierdziły ich podejrzenia! Na przykład bardzo poważna zapalna choroba jelita, znana jako Choroba Leśniowskiego-Crohna, z większą częstotliwością pojawia się u osób z predyspozycjami genetycznymi. Już pierwsze odkrycia projektu ENCODE pokazały, że ryzyko wystąpienia tej choroby podwyższa zmiana na jednym z „pasów startowych”, znajdujących się w DNA niekodującym. Tłem chorób pozostaje również fakt, że DNA musi być dokładnie opakowane w jądrze komórkowym. Informację dziedziczną najczęściej wyobrażamy sobie jako długi sznur z 3 mld nawleczonych korali – liter kodu genetycznego. W rzeczywistości jednak DNA człowieka to skomplikowany kłębek, rodzaj naturalnego węzła gordyjskiego. Sploty sprawiają, że sąsiadują ze sobą fragmenty DNA, które w podwójnej helisie znajdują się daleko od siebie.
Trzy wymiary genomu. Ludzki genom jest 3-wymiarowy i funkcjonuje w przestrzeni. Przylegające fragmenty DNA mają na siebie wzajemny wpływ. Współdecydują o tym, czy zaczną działać, czy będą dalej odpoczywać. W ramach projektu ENCODE uczeni przebadali 3-wymiarowe konstelacje w 1% informacji genetycznej trzech typów komórek. Zaleźli prawie tysiąc miejsc, w których dochodzi do „bliskich spotkań” oddalonych od siebie fragmentów DNA. Dwa oddalone miejsca informacji dziedzicznej mogą wyglądać zupełnie normalnie. Jeśli doszłoby w nich do zmian i przy bliskim spotkani w jądrze komórki odcinki „nie mogłyby się zrozumieć”, człowiek może znaleźć się w niezłych kłopotach. W informacji genetycznej znajdują się „popsute” geny, które w czasie ewolucji zostały uszkodzone i bezpowrotnie utracone. Taka utrata genów nie musiała mieć dla naszych przodków fatalnych konsekwencji. Człowiek ma zmienioną ponad połowę genów receptorów węchowych. Dla zwierząt, które są zdane przede wszystkim na swój węch, byłaby to odczuwalna strata, dla człowieka nie. W DNA mamy łącznie ok. 12 tys. „uszkodzonych” genów, czyli pseudogenów. Tak jak wraki samochodowe mogą posłużyć jako źródło części zamiennych, w niektórych komórkach pseudogeny służą jako źródła cennych informacji. Nawet te „genetyczne wraki” nie są więc bezużyteczne.
Jesteśmy tacy sami, a mimo to różni! Różnorodność informacji genetycznej człowieka ukazuje się dopiero przy analizie DNA naszej globalnej populacji. Gdy przed13 laty udało się odczytać wstępnie genom człowieka, było to DNA „nieznanego żołnierza”. Analizowana informacja dziedziczna pochodziła od kilku różnych osób. Natychmiast po odczytaniu informacji genetycznej udało się odróżnić informację dziedziczną konkretnych osób. Z jednej strony był to genom współodkrywcy podwójnej helisy Jamesa Watsona, z drugiej np. DNA wodza plemienia Buszmenów z Kalahari. Projekt „1000 Genomes Project” obrał sobie za cel odczytanie kompletnego DNA ok. 2,5 tys. osób z 26 różnych grup etnicznych. Na razie genetycy są orientacyjnie w połowie drogi-mają odczytane DNA 1092 osób, należących do 14 grup etnicznych. Okazuje się, że ludzi cechuje zaskakująca jednolitość genetyczna, za-razem ów niewielkiprocent indywidualnych różnic wystarcza do utrzymania dostatecznej różnorodności w obrębie gatunku.
Warianty informacji genetycznej, które nosi w swoim DNA prawie 5% mieszkańców Ziemi, są uważane za częste. Warianty, które skrywają się w mniej niż 0,5% ludzkości, są oznaczane przez genetyków za bardzo rzadkie. Warianty pomiędzy 0,5% a 5% uważane za warianty rzadkie. Każdy z nas ma w swojej informacji genetycznej setki, a nawet tysiące wyjątkowych wariantów DNA. Około 15 wyjątkowych zmian wywołuje utratę ważnego białka. Jeden czy dwa warianty zmuszają komórki do rozwoju nowotworu. Znajdują się one nawet w genomach ludzi zdrowych jak ryba. Jednak nie każdy defekt musi mieć fatalne konsekwencje. Większość genów występuje w informacji genetycznej kilkukrotnie – jeśli jeden się zepsuje, wykorzystujemy kolejny i ,’jedziemy-na rezerwie! Czasem geny mogą zastąpić się innymi genami, a wówczas utrata genu również nie będzie miała żadnych konsekwencji.
5 FAKTÓW O GENOMIE CZŁOWIEKA
- Jest zapisany w 4 różnych „literach” kodu genetycznego – T (tymina),C (cytozyna), G (guanina) i A (adenina). Ludzki genom zawiera 3 mld liter kodu genetycznego.
- Miejsca, które kodują tworzenie białek i niektórych innych cząstek, nazywane sągenami. Człowiek ma ok 30-35 tys. genów, które stanowią zaledwie 1,5% jego DNA.
- Informacja dziedziczna zapisana poza genami pozwala powstać ok. 9 tys.typów krótkich łańcuchów i 10 tys. typów długich łańcuchów kwasu rybonukleinowego. W komórce odgrywają one rolę regulatorów.
- Obok genów działających w informacji dziedzicznej znajdują się również geny niedziałające, które nie pełnią już swojej funkcji. W ludzkim DNA znajduje się ok. 12 tys. takich pseudogenów.
- 5Dziedziczna informacja człowieka podzielona jest na 46 segmentów, nazywanych chromosomami.
