Twoja wyszukiwarka

MAGDALENA FIKUS WADIM KAPULKIN
WIELKI GENOM MAŁEGO ROBAKA
Wiedza i Życie nr 8/1999
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 8/1999

POD KONIEC ZESZŁEGO ROKU GENETYKOM UDAŁO SIĘ POZNAĆ KOMPLETNY ZAPIS GENETYCZNY PIERWSZEGO ORGANIZMU WIELOKOMÓRKOWEGO.

O tym, że nie trzeba być wielkim, aby zawojować świat, biolodzy wiedzą doskonale. Świetnym tego przykładem jest maleńki robaczek, znany wśród specjalistów jako Caenorhabditis elegans, który stał się ulubieńcem naukowców z całego świata. Grudzień 1998 roku był prawdziwym świętem dla badaczy tego zwierzęcia. Po wielu latach wytężonej pracy udało się odczytać całą informację zawartą w jego materiale genetycznym, czyli, jak mówią genetycy, poznać jego genom. Dziś znamy więc zapis zawarty we wszystkich genach tego nicienia, zapis, który jest jednocześnie kompletnym opisem jego budowy, poczynając od najbardziej subtelnej struktury komórek aż po kształt ciała. Zapis ten jest jednocześnie niesłychanie skomplikowanym programem, który decyduje, w jaki sposób poszczególne elementy komórek, komórki i tworzone przez nie narządy mają działać. Programem sterującym tysiącami procesów, które składają się na to, co biolodzy nazywają życiem.

Dlaczego jednak to właśnie niepozorny Caenorhabditis stał się obiektem dociekań naukowców i do czego może się przydać wiedza o jego genomie? Na te pytania postaramy się odpowiedzieć w niniejszym artykule.

WSZĘDOBYLSKIE ROBAKI

Nicienie, do których należy Caenorhabditis elegans, są bardzo starą grupą organizmów, która w wyniku długiej ewolucji wykształciła wielość form i postaci. Można je znaleźć nieomal w każdym środowisku: w glebie, wodach, tkankach roślin i zwierząt. Niektóre mogą żyć nawet w środowiskach o ekstremalnych warunkach temperatury i ciśnienia. Opisano 20 tys. gatunków nicieni, ale sądzi się, że ich liczba może sięgać nawet 10 mln. Szczególnie obficie występują w glebie, gdzie stanowią 90% wszystkich obecnych tam zwierząt wielokomórkowych. Można zatem powiedzieć, że odniosły sukces ewolucyjny.

Sam Caenorhabditis elegans, mierzące 1.5 mm glebowe zwierzątko, zasiedla kompostowniki i inne zbiorniki gnijących szczątków roślinnych. Spotkać je można prawie na całym świecie. Swoje trzytygodniowe życie spędza, "polując" na bakterie oraz inne mikroby i wydając w tym czasie na świat kilkaset sztuk potomstwa. Z punktu widzenia ludzkiej gospodarki nie ma żadnego znaczenia.

A jednak setki uczonych w najbardziej prestiżowych ośrodkach na świecie inwestują swój czas, zdolności i niebagatelne sumy w badania tego żyjątka. Dzieje się tak, ponieważ Caenorhabditis elegans został wybrany, obok muszki owocowej, myszy, pałeczki okrężnicy czy drożdży, jako tzw. organizm modelowy. Powodów, które skłoniły naukowców do pochylenia się właśnie nad nim, jest wiele.

Dorosły osobnik Caenorhabditis elegans

Fot. Wadim Kapulkin

Choć jest to jedno z najprymitywniejszych znanych zwierząt wielokomórkowych, ma ono wszystkie cechy organizmu tkankowego o wyraźnie wyodrębnionych narządach. Ponieważ u wszystkich tkankowców procesy różnicowania i dziedziczenia przebiegają zgodnie z identycznymi lub bardzo podobnymi schematami, badając robaka, uzyskujemy równocześnie wiedzę na temat człowieka.

Kolejną zaletą Caenorhabditis jest łatwość, z jaką można go hodować. Nawet w niewielkim laboratorium można wypasać tysiące sztuk osobników tego nicienia w tzw. szalkach Petriego, które pokryte są murawami bakterii Escherichia coli, będących jego przysmakiem.

Caenorhabditis elegans potrafi rozmnażać się dosyć szybko i na kilka sposobów. Większość jego osobników to hermafrodyty, czyli stworzenia obojnacze, w związku z czym po kilkunastu dniach hodowli tysiące osobników na jednej szalce mogą pochodzić od jednego robaka, będącego równocześnie ich ojcem i matką. Z biologicznego punktu widzenia taki sposób rozmnażania jest prawdopodobnie wyrazem adaptacji do życia w glebie - po potencjalnym lokalnym "kataklizmie" możliwe jest odtworzenie populacji robaków z jednego osobnika. Przy tym trybie rozmnażania całe potomstwo to genetyczne kopie albo inaczej "klony" wyjściowego hermafrodyty. Gdy jednak wzrośnie liczba osobników populacji, zaczynają pojawiać się samce, które mogą kopulować z hermafrodytami. Otwiera to drogę do wymiany materiału genetycznego.

Jeden z autorów tego artykułu, Wadim Kapulkin, podczas obserwacji Caenorhabditis elegans przy użyciu nowoczesnego mikroskopu wyposażonego w kamerę cyfrową

Fot. Tomasz Łęski

Sposób rozmnażania tego robaka to kolejne ułatwienie dla zajmujących się nim naukowców. Większość zwierząt tkankowych ma po dwie kopie każdego genu w swych komórkach. Gdy mamy do czynienia z rozmnażaniem płciowym, jedna z nich pochodzi od ojca i jest dostarczana z plemnikiem, a druga od matki i rezyduje w komórce jajowej. Jeżeli obydwie kopie nie są identyczne, pod względem tego genu organizm jest tzw. heterozygotą i często aktywność jednej wersji "maskuje" działanie drugiej, co bardzo utrudnia badania genetyczne. U Caenorhabditis elegans wszystkie geny, choć w podwójnej liczbie, pochodzą od jednego (matczyno-ojcowskiego) osobnika. Dzięki temu większość osobników ma dwie identyczne wersje danego genu; są to homozygoty, łatwe do analizy klasycznymi metodami genetycznymi.

Pierwszy podział zapłodnionego jaja

Fot. Wadim Kapulkin

Budowa i rozwój osobników Caeno rhabditis elegans są dokładnie genetycznie zaprogramowane, a w procesie rozwoju, od pojedynczej komórki do dojrzałego zwierzęcia, nie ma miejsca na przypadek. O takim typie rozwoju mówi się, że jest predeterminowany. Dzięki całkowitej przezroczystości ciała aenorhabditis elegans możliwe jest śledzenie zachowania poszczególnych komórek w żywym osobniku za pomocą mikroskopu. W trakcie rozwoju los każdej z 1090 komórek somatycznych (czyli tych, które nie są komórkami rozrodczymi) jest z góry określony (ramka: Burzliwy żywot nicienia na s. 38). Większość z nich wejdzie w skład dorosłego osobnika, niektóre jednak, w imię dobra organizmu jako całości, popełnią programowane samobójstwo, ulegną apoptozie. Można dokładnie przewidzieć, które komórki dojrzałego robaka nie powstaną, jeżeli wcześniej zniszczy się odpowiednią komórkę prekursorową, tzw. komórkę pnia. Robi się to, wypalając ją za pomocą lasera i kontrolując zabieg pod mikroskopem. W Caenorhabditis komórki nie zmieniają położenia, tak jak np. czynią to komórki ludzkiej krwi. Dorosły hermafrodytyczny osobnik, obok nieruchliwych komórek somatycznych, zawiera jednak około 2 tys. komórek płciowych, które jako jedyne utrzymały przywilej przemieszczania się. Wysoce uporządkowany sposób rozwoju umożliwił badaczom stworzenie pełnej mapy linii komórkowych tego zwierzątka. Jest ona swego rodzaju kompletnym drzewem genealogicznym dla każdej z jego komórek (patrz: schemat na s. 39).

PUZZLE DLA BIOLOGÓW

Tak dokładnie poznany rozwój i inne cechy fizjologiczne Caenorhabditis elegans w połączeniu z danymi o pełnej budowie genomu dają możliwość prowadzenia niezwykle interesujących badań. Pomyślmy: każda z opisanych tu fascynujących cech rozwojowych musi być zakodowana genetycznie. Znając wszystkie geny, możemy pokusić się o przypisanie każdej z cech określonemu genowi lub ich zespołom. Dla zwolenników biologicznych puzzli - niebywała atrakcja!

Zarodek w stadium gastrulacji

Nie ulega wątpliwości, że po odczytaniu pełnej informacji genetycznej jednokomórkowców poznanie genomu organizmu wielokomórkowego, mającego wyspecjalizowane tkanki i narządy, jakim jest Caenorhabditis elegans, stało się zasadniczym przełomem mającym ogromne znaczenie dla badaczy genetycznych podstaw rozwoju. W sposób istotny przybliża to dużo pełniejsze zrozumienie biologii człowieka.

Cały materiał genetyczny Caenorhabditis elegans, obecny w komórkach tego organizmu, mieści się na 6 parach chromosomów. Każdy chromosom to długa cząsteczka DNA (będącego nośnikiem informacji), który "opakowany" jest setkami białek, spełniających najrozmaitsze funkcje: od fizycznej ochrony DNA aż po regulację aktywności genów. DNA to polimer składający się z czterech rodzajów cząstek zwanych nukleotydami. Kolejność ułożenia nukleotydów w nici DNA decyduje o zawartej w nim informacji. Na poznawaniu tej kolejności (czyli tzw. sekwencjonowaniu DNA) polega więc odczytywanie zapisu genetycznego. Długość genomu Caenorhabditis wynosi 97 mln par nukleotydów, co odpowiada 3% długości genomu ludzkiego. Za to składa się on z 19 tys. genów, co stanowi 20% przewidywanej liczby genów ludzkich (odstępy pomiędzy poszczególnymi genami nicienia są kilka razy mniejsze niż w genomie człowieka).

Dojrzała larwa L1 wewnątrz jaja (po lewej)

Genetycy uznali, że genom Caeno-rhabditis może być dobrą "wprawką" przed sekwencjonowaniem genomów organizmów wyższych. Jest wystarczająco duży, aby można było sprawdzić, czy zastosowana do jego poznania strategia może być wykorzystana w większych Przedsięwzięciach.

Zapis genetyczny Caenorhabditis elegans odczytywano przez 8 lat w dwu ośrodkach: amerykańskim w Washington University w Saint Louis (kierowanym przez Roberta Waterstona) i brytyjskim Sanger Center w Cambridge (kierowanym przez Johna Sulstona), a każdy z zespołów badawczych liczył około 100 osób.

Larwa L1 wykluwa się z jaja

Genom ulubionego przez biologów robaka, zgodnie z oczekiwaniami, ma cechy charakterystyczne dla wyżej zorganizowanych form życia. Na przykład, w odróżnieniu od genów bakteryjnych, geny nicienia są genami podzielonymi, tzn., że w obrębie genu, pomiędzy fragmentami DNA zawierającymi informację na temat struktury kodowanego produktu - eksonami, znajdują się introny - obszary pozbawione takiego zapisu. W genomie Caenorhabditis występują też licznie tzw. sekwencje powtarzające się, które nie kodują białek i których funkcje nadal są niejasne. Obecne są one we wszystkich genomach organizmów wyższych. Dzięki znajomości uniwersalnych reguł kodu genetycznego można przewidzieć strukturę białek robaka i porównać je z już poznanymi białkami innych organizmów, zarejestrowanymi w elektronicznych bankach sekwencji genów i białek. Dla 42% białek Caenorhabditis elegans znaleziono odpowiedniki wśród białek znanych już uprzednio z innych gatunków, dalsze 34% wykazuje podobieństwa do innych białek nicienia. Dla produktów pozostałych 24% genów trzeba będzie szukać funkcji, nie mając do tego żadnych przesłanek.

Kolejne stadium larwalne L2

Znamy już, wykonane "na gorąco", analizy porównujące białka nicienia z białkami pochodzącymi z czterech różnych organizmów: pałeczki okrężnicy (Escherichia coli) i drożdży piekarniczych (Saccharomyces cerevisiae), których wszystkie geny już znamy, a także myszy i człowieka, których geny znamy wyrywkowo. Zadziwia wysoki procent białek podobnych, pełniących w tych tak różnych organizmach podstawowe funkcje życiowe. Wiele z genów kodujących te białka można wymieniać między porównywanymi organizmami. Stanowi to wyjątkowo elegancki dowód na ewolucję świata żywego i to, że wszyscyśmy z jednego przodka...

CZEKAJĄC NA SENSACJE

Prawdziwe sensacje pojawią się jednak zapewne po zakończeniu analizy struktury i funkcji pozostałych genów, różniących nicienia od dotychczas poznanych jednokomórkowców, których genomy są już znane. Tu na wyniki trzeba będzie jeszcze trochę poczekać, ponieważ sformułowanie wniosków będzie wymagało uzyskania danych dla innych organizmów wielokomórkowych. Na razie stwierdzono, że, budując nowe funkcjonalnie białka, natura często wykorzystywała już istniejące "bloki" budulcowe, zwane domenami, które tak jak gotowe elementy architektoniczne z fabryk domów, łączone w rozmaitych kombinacjach, mogą dawać różne "budowle". Wśród białek robaka znaleziono też zupełnie nowe domeny, związane z jego wielokomórkową naturą, "wynalezione" przez ewolucję na potrzeby jego i jego ewolucyjnych potomków.

Wiele gatunków nicieni to groźne pasożyty ludzi i zwierząt. Na zdjęciu: tęgoryjec

Fot. Wadim Kapulkin

Ciekawe wnioski płyną z analizy genów, którym przypisano role w procesach rozwoju i różnicowania wielokomórkowego organizmu. Strukturę genów nicienia porównuje się z danymi dotyczącymi poznanych genów muszki owocowej i kręgowców. Podobne zestawy genów kierujące tymi procesami znaleziono we wszystkich dotychczas badanych grupach stworzeń, są one zatem stare ewolucyjnie.

Także dane na temat regulacji i rozwoju układu nerwowego, uzyskane z analizy genomu nicienia, świadczą o zachowaniu podobnych struktur genetycznych w wielu gatunkach, również tych znajdujących się na wyższym stopniu rozwoju. Dzięki temu za pomocą Caenorhabditis będzie można badać działanie tego układu, z możliwością odniesienia do człowieka.

Badanie funkcji genów, które nie są podobne do niczego, co dotąd naukowcy widzieli, będzie o tyle proste, że opracowano całą baterię metod umożliwiających badanie naszego nicienia. Istnieją, na przykład, zbiory tysięcy mutantów, czyli "genetycznych inwalidów", troskliwie zakonserwowanych w temperaturze 280°C, mających uszkodzony ten czy inny gen. Jeśli mutacja w jakimś genie nie była dotychczas opisana, jej nosiciela można względnie łatwo wyłowić z tzw. banku mutantów. Dzięki analizie takich mutantów możemy dowiedzieć się o skutkach niedoboru konkretnego białka dla działania całego organizmu i poznać jego funkcję.

Rys. 1. Losy komórek, będących potomstwem blastomerów powstających w pierwszych minutach rozwoju Caenorhabditis. Linie komórek, wywodzące się z blastomeru AB, budują tkankę nerwową, hipodermalną oraz gardziel. Komórki-córki blastomeru E tworzą jelito. Linia MS daje początek komórkom mięśni i gardzieli, C - komórkom mięśni i hipodermy, D - komórkom mięśni. Blastomer P4 (siostra komórki D) jest prekursorem komórek linii płciowej

Rys. Joanna Murawska na podstawie rysunku Adriany Magalskiej

Poza genetycznie upośledzonymi możliwe jest również otrzymywanie osobników obarczonych genetycznym nadbagażem, genem lub genami z innych gatunków lub własnymi genami po modyfikacji in vitro. Tak można konstruować transgeniczne robaki i jest to zabieg rutynowy w każdym laboratorium zajmującym się biologią tego nicienia. Obcy gen wystarczy zaaplikować mikrostrzykawką do gonady dorosłego hermafrodyty i odnajdziemy go w materiale genetycznym jej potomstwa. W ten sposób otrzymano np. nicienie z genem kodującym fluoryzujące na zielono białko, pochodzącym od morskiej meduzy Aquorea victoria1. Pod mikroskopem fluorescencyjnym prezentują się one niezwykle efektownie.

Na koniec, mimo iż uznaliśmy C. elegans za zwierzątko mało użyteczne dla ludzi, przyjdzie się z tego poglądu częściowo wycofać. Do nicieni należą też takie pasożyty, jak glista (Ascaris) czy tęgoryjce, powodujące choroby milionów ludzi oraz zwierząt hodowlanych. O nicieniach tych wiadomo zatrważająco mało, gdyż hodowanie ich w laboratorium, poza gospodarzem, jest praktycznie niemożliwe. Tymczasem Caenorhabditis elegans wykazuje wszystkie cechy "charakteru", jakie powinien mieć szanujący się nicień. W tej sytuacji zielone światło dla badaczy chorób wywoływanych przez nicienie zapaliło się wraz z możliwością poznania funkcji genów wspólnych łagodnemu Caenorhabditis i niebezpiecznym pasożytom. Poza tym w biotechnologicznej firmie Nemapharm prowadzi się badania potencjalnych leków przeciw chorobie Alzheimera, testując zachowanie ludzkich genów wprowadzanych do Caenorhabditis elegans.

Badacze małego nicienia dostali więc materiał, który nie pozwoli im się nudzić przez długie lata i z pewnością dostarczy jeszcze niejedną pasjonującą historię na czołówki gazet.

Nicienie będzie można oglądać i badać w czasie III Festiwalu Nauki. Szczegółowy program imprezy wydrukujemy w następnym numerze.

1 Więcej wiadomości o nicieniach znaleźć można w Internecie pod adresem: http://elegans.swmed.edu/.

WADIM KAPULKIN jest doktorantem w Katedrze Parazytologii i Chorób Inwazyjnych Wydziału Weterynarii SGGW.