Twoja wyszukiwarka

JACEK SKAŁA
DROŻDŻE W KOMPUTERZE
Wiedza i Życie nr 1/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 1/1997

BIOLOGICZNYM WYDARZENIEM ROKU 1996 BYŁO NIEWĄTPLIWIE ZAKOŃCZENIE PROGRAMU SEKWENCJONOWANIA GENOMU DROŻDŻY. POZNALIŚMY W TEN SPOSÓB PIERWSZY PEŁNY "PRZEPIS" NA ORGANIZM EUKARIOTYCZNY.

Fot. INTERNET

Kto z nas nie widział, jak rośnie ciasto, czy nie pił piwa lub wina? To produkty wytwarzane przy udziale drożdży. Ale przecież jest to tylko jeden z wielu organizmów związanych z człowiekiem od zarania cywilizacji. Dlaczego więc akurat drożdże stały się tym pierwszym organizmem eukariotycznym, którego genom poddano tak intensywnym badaniom?

Drożdże piekarnicze (Saccharomyces cerevisiae), jako odrębny gatunek opisano w roku 1883. Ten prosty, jednokomórkowy grzyb zaliczany do workowców jest organizmem "przyjaznym" człowiekowi nie tylko ze względu na swą użyteczność kulinarną; nie jest również zakaźny, a więc praca z nim nie pociąga za sobą ryzyka zachorowania. Eksperymentowanie z drożdżami nie nastręcza również problemów etycznych. Przynajmniej takich, z jakimi borykają się badacze prowadzący doświadczenia na zwierzętach.

Podobnie jak Escherichia coli wśród bakterii, tak drożdże wśród organizmów eukariotycznych są szeroko wykorzystywanym modelowym obiektem badań. Drożdże pod względem budowy komórki, jak i przebiegu szlaków metabolicznych, w dużej mierze przypominają organizmy wielokomórkowe z człowiekiem włącznie. Model to tym bardziej atrakcyjny, że 75% jego genomu zajmują geny, a tylko 25% to sekwencje niekodujące. U człowieka sytuacja jest odmienna - większość, bo aż 95% genomu, to niekodujące "wypełnienie", którego rola ciągle jest mało zrozumiała, a geny stanowią pozostałe 5%. Oznacza to w uproszczeniu, że znalezienie nowego genu u drożdży wymaga około piętnastokrotnie mniejszego nakładu pracy niż u człowieka.

Fragment oryginalnego autoradiogramu, z którego odczytano wycinek II chromosomu drożdżowego. Warunki reakcji zostały tak dobrane, że wystąpienie prążka w pionowej kolumnie oznaczonej literą T wskazuje na obecność w badanym DNA nukleotydu tymidynowego, prążek w kolumnie C wskazuje na nukleotyd cytozynowy, na ścieżce G i A sygnalizowane są odpowiednio nukleotydy guaninowy i adeninowy. Sekwencję odczytuje się od dołu do góry. W przypadku DNA oznaczonego numerem 63R jest to gattctggattcaaaaacttg... Początek sekwencji 62U to cctcattatttatactatcga...

Drożdże bardzo łatwo hoduje się w warunkach laboratoryjnych. Ponadto mają one dwie szczególne cechy, ułatwiające prowadzenie badań genetycznych: grzyby te występują naturalnie zarówno w formie diploidalnej, jak i haploidalnej, a ponadto zachodzi w nich stosunkowo wydajnie tzw. rekombinacja homologiczna. Jest to proces, który pozwala na zastąpienie prawidłowego genu jego uszkodzoną kopią (i na odwrót) wprowadzoną do komórki z zewnątrz. Pierwszy zabieg uniemożliwia syntezę normalnego białka, co w konsekwencji zaburza procesy metaboliczne komórki. Dzięki temu można stwierdzić, w których procesach ujawnia się zmiana w białku, a więc poznać jego funkcje. Doświadczenia tego typu przeprowadza się na komórkach haploidalnych, gdzie skutek uszkodzenia genu nie jest maskowany przez jego drugą, prawidłową kopię, co ma normalnie miejsce w komórkach diploidalnych.

Od pierwszego opisania gatunku do lat osiemdziesiątych naszego stulecia zidentyfikowano ponad tysiąc genów drożdżowych rozmieszczonych na 16 chromosomach. Drożdże stały się jednym z najlepiej poznanych organizmów żywych. Jednak, mimo wiedzy i doświadczenia kilku tysięcy naukowców pracujących na całym świecie nad drożdżami, tempo odkrywania nowych genów wyraźnie słabło. W takiej właśnie sytuacji przystąpiono do realizacji projektu sekwencjonowania całego drożdżowego genomu, czyli systematycznego ustalania jego sekwencji nukleotydowej.

Komórki drożdży piekarniczych Saccharomyces cerevisiae widziane w mikroskopie świetlnym. Powiększenie 600 razy

Wlatach siedemdzie- siątych opracowano dwie metody ustalania kolejności nukleotydów w cząsteczce DNA, co zostało uhonorowane Nagrodą Nobla. Dziesięć lat później jedna z nich, enzymatyczna metoda sekwencjonowania DNA, była już w powszechnym użyciu, ale mimo wielu udoskonaleń okazała się techniką drogą, jak również wyjątkowo pracochłonną. W owym czasie jeden naukowiec, nie dysponujący zautomatyzowanymi urządzeniami, był w stanie opracować w ciągu roku sekwencję długości około 10 tys. nukleotydów. Wielkość genomu drożdży szacowano wówczas na 15 mln nukleotydów, ich odczytanie - jak przypuszczano - powinno więc zająć stu ludziom nie mniej niż 15 lat.

Tak odległy termin realizacji, liczebność wymaganego personelu, jak również wysokość przewidywanych kosztów stawiały jednak przeprowadzenie rozbudowanego projektu oznaczania genomu drożdży pod znakiem zapytania. Wtedy to prof. André Goffeau, inicjator przedsięwzięcia, zaproponował powierzenie wykonania projektu nie jednej instytucji, a nawet nie jednemu państwu, ale licznej, międzynarodowej grupie laboratoriów koordynowanych przez jeden ośrodek naukowy. W ten sposób zakres pracy przypadający na jedno laboratorium znacznie zmalał, środki finansowe natomiast wzrosły dzięki połączeniu funduszy narodowych z funduszami Unii Europejskiej. Ponadto w trakcie programu systematycznie usprawniano metody i organizację pracy, a zwłaszcza automatyzowano przebieg i odczytywanie wyników elektroforezy. Dość powiedzieć, że poznanie 315 344 - nukleotydowej sekwencji III chromosomu trwało dwa lata. Nieco póżniej tyle samo czasu zajęło odczytanie IV
chromosomu, choć jego długość oszacowano na
1 640 000 nukleotydów.

Międzynarodowa współpraca 600 naukowców sponad 100 laboratoriów doprowadziła do tego, że 24 kwietnia 1996 roku w sieci Internet udostępniona została pełna sekwencja nukleotydowa genomu drożdży piekarniczych. Tym samym weszły one do historii genetyki jako pierwszy organizm eukariotyczny, którego genom został w całości odczytany.

Realizacja programu to w 72% dzieło laboratoriów europejskich. Pozostałą część pracy wykonano w USA (22%), Kanadzie (4%) i Japonii (2%). Na odnotowanie zasługuje również wkład wniesiony przez Polaków. Pracownicy Zakładu Genetyki Uniwersytetu Wrocławskiego współpracujący z Laboratoire d'Enzymologie (Universite Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve, Belgia), kierowanym przez prof. André Goffeau, uczestniczyli w sekwencjonowaniu chromosomów: II, III, VII i XI. Zespół z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN wniósł swój udział w poznanie chromosomu II, III i X we współpracy z Centre de Genetique Moleculaire du C.N.R.S. (Gif-sur-Yvette, Francja), kierowanym do niedawna przez prof. Piotra Słonimskiego.

Drożdże widziane w elektronowym mikroskopie skaningowym (2000 x)

Fot. INTERNET

Komputerowa postać genomu drożdżowego to 12 136 020 liniowo ułożonych i przemieszanych ze sobą liter a, t, c, g, podzielonych na szesnaście grup odpowiadających poszczególnym chromosomom. Nie jest to jeszcze postać ostateczna, gdyż nie zawiera wszystkich elementów, które występują w genomie w kilku powtórzeniach. Niemniej jednak poznano sekwencje co najmniej jednej kopii każdego z nich i włączono do już udostępnionych danych. Całkowitą wielkość genomu drożdżowego, wraz ze znajdującymi się jeszcze w opracowaniu elementami powtórzonymi szacuje się na 13 105 020 nukleotydów. Gdyby ktoś zadał sobie trud zapisania tylu liter na papierze, zajęłyby one 4680 stron maszynopisu. Szacuje się, że zapisany tak genom ludzki zapełniłby około 1 170 000 stron. Na dodatek, sekwencji nukleotydowych nie można czytać w tradycyjnym rozumieniu tego słowa, a jedynie za pośrednictwem wyspecjalizowanych programów komputerowych.

Wstępna analiza komputerowa genomu ujawniła, oprócz tysiąca wcześniej opisanych genów drożdżowych, prawie 5000 nowych. Nie wiemy jeszcze, czy wszystkie one obecnie funkcjonują, czy też są tylko "niemymi" świadkami ewolucji. Blisko 3000 genów wykazuje istotny stopień podobieństwa do genów uprzednio odkrytych w innych organizmach. Z tego około 1/3 jest podobnych do genów ludzkich kodujących białka biorące udział w tak podstawowych procesach jak replikacja i naprawa DNA, synteza białek oraz transport przez błony. Dodatkowo w tej grupie znajdują się geny niezwykle interesujące dla lekarzy, gdyż mutacje w ich ludzkich odpowiednikach wywołują wiele chorób nowotworowych oraz zaburzeń układu nerwowego i kostnego. Tak znaczne podobieństwo do genów człowieka oraz łatwość prowadzenia badań w komórkach drożdżowych być może uczynią z tych grzybów atrakcyjny model do badania mechanizmów zmian nowotworowych.

Drożdże w elektronowym mikroskopie skaningowym
(powiększenie 10 000 x)

Geny drożdżowe są podobne nie tylko do genów człowieka, ale i do genów innych organizmów. Ku zaskoczeniu badaczy okazało się na przykład, że jeden z genów drożdżowych jest identyczny z bakteryjnym genem nifS zaangażowanym w procesy asymilacji azotu atmosferycznego. Drożdże nie pobierają azotu z atmosfery, po co im więc taki gen? Po dokładniejszym zbadaniu kodowanego przezeń białka było jasne, że bierze ono udział w podstawowych procesach metabolicznych jednakowych u drożdży i bakterii, a jego związek z asymilacją azotu przez bakterie jest jedynie pośredni.

Odczytanie sekwencji nukleotydowych wszystkich genów drożdżowych to nie koniec badań, ale właściwie dopiero początek nowej ich ery. Wystarczy wspomnieć, że nadal blisko połowy genów nie udało się jeszcze powiązać z żadną funkcją. Jest to zadanie stojące przed obecnym, ale i chyba następnymi pokoleniami badaczy. W krajach Unii Europejskiej 144 laboratoria zgłosiły już akces do nowej nieformalnej organizacji EUROFAN, która stawia sobie za zadanie ustalenie w ciągu najbliższych dwóch lat funkcji około tysiąca nowych genów.

Aktualnie, na różnych stopniach zaawansowania, znajduje się kilka projektów sekwencjonowania całych genomów. W tym tak dużych, jak np. muszki owocowej Drosophila melanogaster (150 mln nukleotydów), rośliny Arabidopsis thaliana (100 mln) i człowieka (3 000 mln). Komputerowe "biblioteki" zapełniają się więc coraz szybciej opasłymi tomami "genomów". Czy dane nam będzie kiedyś w pełni zrozumieć ich treść?

Zdjęcia autora

Dr JACEK SKAŁA jest adiunktem pracującym w Instytucie Mikrobiologii Uniwersytetu Wrocławskiego.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(09/97) SŁODKO, A BEZ GRZECHU
(04/97) PIWO RAZ!
(08/97) WINO GENETYKÓW
(01/96) JAK ŻYĆ Z 470 GENAMI?
(06/96) Z ANTYBIOTYKIEM NA WRZODY
(02/97) TRANSGENICZNA ŻYWNOŚĆ
(12/97) NIEWINNE ZŁEGO POCZĄTKI