Genom – co to jest? Jak działa genom człowieka?

W roku 2003 ogłoszono rozszyfrowanie całego ludzkiego genomu. To przełomowe odkrycie otworzyło naukowcom bramy do zrozumienia procesu ewolucji i dziedziczenia, jak również diagnozowania i leczenia wielu poważnych chorób. Dziś już wiemy, że geny można efektywnie mapować, sekwencjonować, a najprawdopodobniej także edytować!



Podwójna helisa – model ludzkiego DNA. Źródło: shutterstockPodwójna helisa – model ludzkiego DNA. Źródło: shutterstock
  1. Historia odkrycia genomu ludzkiego
  2. Jak zbudowany jest ludzki genom?
  3. Jak działają geny?
  4. Czy jest sekwencjonowanie genów?
  5. Czym są mutacje genetyczne?
  6. Co można wyczytać w ludzkim genomie?
Bakteria pałeczki okrężnicy (E. coli) posiada ok. 3200 genów, muszka owocowa (Drosophilia melanogaster) ok. 13 tysięcy, natomiast ludzki genom składa się z ok. 20.5 tysiąca genów i paradoksalnie nie jest wcale rekordowy na Ziemi. Naukowcy twierdzą bowiem, że ryż w zależności od odmiany posiada nawet 40 do 63 tysięcy genów! Jak się łatwo domyślić, to nie ilość jest więc najważniejsza!

Historia odkrycia genomu ludzkiego

Za ojca współczesnej genetyki uważa się Gregora Mendla, mnicha, który eksperymentując w zaciszu brnieńskiego klasztoru z rozmnażaniem groszku, sformułował pierwsze podstawowe prawa dziedziczności. W oparciu o prace jego oraz Charlesa Darwina zaczęto następnie formułować coraz dalej idące tezy na temat genów i zawartych w nich informacji. Absolutnym przełomem były jednak badania prowadzone w połowie XX w. przez Watsona i Cricka – odkryli oni strukturę DNA i jako pierwsi pokazali światu słynny model podwójnej helisy. Od tego momentu nasza wiedza zaczęła rozszerzać się w szalonym tempie – opisano transkrypcję, replikację i translację genów, czyli podstawowe procesy rządzące życiem komórek. W 1980 roku grupie Sangera udaje się zsekwencjonować genom pałeczki okrężnicy, co prowadzi do dalszych technicznych udoskonaleń w zakresie automatycznej deszyfracji kodu DNA. W 1990 roku amerykański rząd rozpoczyna wiekopomny Projekt poznania genomu ludzkiego (Human Genome Project), który do dziś jest największym projektem badawczym w historii nowoczesnej nauki. W pracach wzięło udział 2800 uczonych, a po 13 latach i licznych przeszkodach udało się w 2003 r. opublikować kompletną mapę ludzkich genów. Francis Collins, dyrektor instytutu sprawującego pieczę nad HPG, napisał, że odkryty genom jest książką do historii opisującą podróż gatunków w czasie, poradnikiem zakupowym z instrukcją dla każdej komórki naszego ciała oraz podręcznikiem do medycyny, który zmieni sposób w jaki będziemy leczyć i zapobiegać chorobom. Trudno było by lepiej ująć istotę wielkiego odkrycia!

Jak zbudowany jest ludzki genom?

Każda komórka naszego ciała zawiera w sobie DNA, czyli owych ponad 20 tysięcy genów zgrupowanych na 23 parach chromosomów. Aż 22 z tych par zawierają po dwa identyczne chromosomy, a ta ostatnia u kobiet również ma postać symetryczną XX, natomiast u mężczyzn składa się z jednego chromosomu X dziedziczonego po matce i chromosomu Y dziedziczonego po ojcu. Z pozostałych par chromosomów również połowa pochodzi zawsze od jednego rodzica, a druga połowa od drugiego. Wyjątkiem są tutaj komórki rozrodcze, czyli plemniki oraz jajeczka. Ponieważ mają się one połączyć, aby dać nowy organizm o 23 parach chromosomów, każde zawiera wyłącznie 23 niesparowane chromosomy.

Gdyby przyjrzeć się chromosomowi w dużym zbliżeniu, zauważylibyśmy, że składa się z on podwójnej, skręconej nici kwasu dezoksyrybonukleinowego, zwanego w skrócie DNA. Te nici związane są blisko ze sobą dzięki fenomenowi czterech zasad: adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) oraz tyminy (T), które łączą się w pary wiązaniami wodorowymi. Adenina zawsze łączy się z tyminą, guanina zaś z cytozyną. Dzięki temu, znając zasady na jednej nici – zwanej nukleotydem – potrafimy przewidzieć co jest na drugiej! Trzy kolejne zasady na danej nici to tymczasem tzw. kodon – czyli prawdziwy kod oznaczający konkretne aminokwasy, np. prolinę, leucynę czy tryptofan. Z dwudziestu podstawowych aminokwasów natomiast zbudowane są wszystkie białka w naszym ciele!

Gdzie jednak znajdują się owe chromosomy, zawierające geny i wspomniane wyżej zasady, których mamy w DNA aż 3 miliardy? Otóż każda komórka organizmu żywego – od ciałka krwi po melanocyt (produkujący pigment w skórze) zawiera w sobie jądro komórkowe, w którym właśnie ukryta jest owa szalenie złożona sekwencja literek ATTDGACCA… itd. Decyduje ona m.in. o tym, że dana krwinka żyje ok. 120 dni, a potem umiera i musi narodzić się nowa.
Chromosomy – to na nich umiejscowione są geny. Źródło: shutterstock

Jak działają geny?

Wspomniana wyżej długa nić DNA jest w uproszczeniu instrukcją obsługi całego organizmu. To tutaj znajdują się informacje jak rozmnażać, specjalizować i umierać mają poszczególne komórki. Tutaj znajduje się „przepis” na każde białko, każdy enzym i hormon, jak również wytyczne co do koloru naszych oczu, włosów, skóry.

Co ciekawe, nie wszystkie części nukleotydu odpowiadają za kodowanie genów – prawie 99% ma charakter niekodujący i nazywamy je wówczas intronami. Ich rola jest wieloraka i nie do końca jeszcze poznana, ale wiemy na pewno, że decydują one o „włączaniu” i „wyłączaniu” genów, a także pełnią funkcję regulatorów w złożonym procesie kodowania białek. Te ostatnie zaś obok tłuszczu i wody są głównym składnikiem organizmów żywych.

Jak to się jednak odbywa? Proces wykorzystywania genomu jest dwuetapowy. W pierwszej fazie, zwanej transkrypcją, enzymy odczytują instrukcję zawartą w DNA i przepisują ją na cząsteczki mRNA, pełniące rolę posłańców. W drugim etapie, zwanym translacją, informacja z mRNA jest tłumaczona na język aminokwasów i tworzone są konkretne białka – od cząsteczek budujących mięśnie po specyficzne przeciwciała chroniące nas przed wirusami i bakteriami. Fascynujący jest przy tym fakt, że chociaż każda komórka naszego ciała zawiera pełne DNA, wykorzystuje ona jedynie fragmenty jej dotyczące.
Tabela przedstawiająca zakres oddziaływania ludzkiego genomu; opracowanie własne

Czy jest sekwencjonowanie genów?

Niezwykle głośne ostatnio sekwencjonowanie genów nie jest niczym innym jak techniką odczytywania owego czteroliterowego kodu wybranych fragmentów DNA. Znając cały ludzki genom naukowcy wiedzą dziś na jakim chromosomie szukać poszczególnych genów w celu ich szczegółowej analizy. Poszczególne geny nie są przy tym zwykle odpowiedzialne za jeden poszczególny proces, ale wykorzystywane są w szerszych zestawieniach – np. za kolor naszych oczu odpowiada aż 16 genów, z których każdego mamy dwie kopie, jedną od ojca, drugą od matki. Stąd też dziedziczenie koloru tęczówek nie jest wcale tak bezpośrednie jakby się mogło wydawać. Z drugiej strony, mamy jednak choroby spowodowane obecnością mutacji pojedynczego genu, które odziedziczone po obojgu rodzicach są swego rodzaju klątwą – należą do nich anemia sierpowata, mukowiscydoza czy albinizm. W przypadku trzęsawicy Huntingtona wystarczy z kolei odziedziczyć jedną zmutowaną kopię jednego genu od jednego z rodziców, aby zachorować. Sekwecjonowanie genomu pozwala nam właśnie owe mutacje wykryć.

Czym są mutacje genetyczne?

Niestety, jakkolwiek genialna wydaje się Matka Natura i jej genetyczny kod, zdarzają się w nim błędy. O mutacji mówimy, gdy w strukturze DNA zajdą zmiany, które czasem są na tyle trwałe, że przekazywane są potomstwu. Z jednej strony, zjawisku temu zawdzięczamy ewolucję i np. stopniowe prostowanie się postawy ciała naszych przodków; z drugiej, owe zmiany prowokować mogą poważne zaburzenia w funkcjonowaniu organizmu, włącznie z nowotworami. Dzięki zaawansowaniu współczesnej medycyny wiemy już dziś na przykład, że mutacja genu TP53 pojawia się w połowie wszystkich przypadków raka, zaś mutacje genów BRCA1 i BRCA2 znacząco zwiększają ryzyko zachorowania na raka piersi lub jajników w młodym wieku. Przyczyny mutacji mogą być przy tym bardzo różne – od statystycznie uzasadnionych błędów losowych pojawiających się w trakcie podziału komórkowego po infekcje wirusowe, promieniowanie radioaktywne oraz ekspozycję na mutagenne związki chemiczne.
Promieniowanie jonizacyjne jest jednym z przyczyn mutacji genetycznych. Źródło: shutterstock

Co można wyczytać w ludzkim genomie?

Zakres, w jakim już dziś możemy wykorzystać naszą wiedzę o ludzkim genomie jest tematem na serię książek. W najbardziej podstawowym zastosowaniu analizuje się ludzkie DNA w celu wykrycia na przykład wad wrodzonych u płodu czy prawdopodobieństwa zachorowania na nowotwór. Ponadto olbrzymim zainteresowaniem cieszą się na przykład badania genetyczne ustalające ojcostwo, a nawet etniczne pochodzenie. Naukowcy na bazie próbki włosów są dziś w stanie określić, z którego kontynentu, a nawet obszaru wywodzą się nasi praprzodkowie.

Znalezienie określonych mutacji genetycznych może być wskazaniem do prewencyjnego zabiegu chirurgicznego (np. usunięcia jajników), zmiany stylu życia, a w wielu krajach także aborcji ze względu na wady wrodzone płodu. Co więcej, genetykę wykorzystuje się dziś szeroko w procesie sztucznego zapłodnienia analizując materiał pozyskany od dawców spermy i dawczyń jajeczek. To dzięki niej wiemy na przykład, że 50-70% komórek jajowych pobranych od starszych kobiet są widoczne błędy chromosomalne. Terapia genowa pozwala natomiast aktywnie wszczepiać do tkanek „obce” geny, aby walczyć z chorobą!
Podsumowując więc, genom umożliwia naszemu organizmowi rozwój od pojedynczej zapłodnionej komórki po dorosłego człowieka, przeżycie z dnia na dzień, a także rozmnażanie się. Poznawszy genom możemy więc bardziej świadomie kształtować nasze życie na Ziemi. Tutaj warto jednak dodać, że geny nie decydują o wszystkim – z badań przeprowadzonych na bliźniętach jednojajowych wynika, że zachowanie, osobowość czy inteligencja jednostki nawet w 70% kształtowane są jednak przez otoczenie!
Ekologia.pl (Agata Pavlinec)

Bibliografia

  1. Britannica; “Human genome”; data dostępu: 2021-09-21
  2. National Human Genome Research Institute ; “The Human Genome Project”; data dostępu: 2021-09-21
  3. Elie Dolgin ; “The most popular genes in the human genome”; data dostępu: 2021-09-21
  4. Suzanne Falck ; “What are genes and why are they important?”; data dostępu: 2021-09-21
  5. Jeffrey Touchman ; “Comparative Genomics”; data dostępu: 2021-09-21
  6. Dr. Laurence Loewe; “Genetic Mutation”; data dostępu: 2021-09-21
Ocena (2.5) Oceń: