Myszy i ludzie

JACEK KUBIAK z Rennes (Francja)

 

W październiku 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 później 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 SĄ 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 DZIAŁA 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.

DŁUG 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.


Jacek Kubiak


Autor jest pracownikiem francuskiego CNRS (Narodowe Centrum Badań Naukowych). Pracuje w laboratorium Biologii i Genetyki Rozwoju Uniwersytetu w Rennes (Francja). Stale współpracuje z „TP”.

 

 

 

 

 

do góry

 

© 2000 Tygodnik Powszechny
Szczegółowe informacje o Redakcji; e-mail: redakcja@tygodnik.com.pl