Twoja wyszukiwarka

PIOTR KOSSOBUDZKI
OTO CZŁOWIEK!
Wiedza i Życie nr 4/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 4/2001

Około 3 mld nukleotydów, zaskakująco mało genów, dwie konkurencyjne publikacje na ten sam temat i euforia w mediach całego świata - to tylko niektóre owoce prac nad poznaniem ludzkiego DNA.

Ludzki genom ostatnio często gościł na pierwszych stronach gazet. Kilkakrotnie ogłaszano przełom w dziejach genetyki, nową kartę w dziejach ludzkości i poznanie molekularnych podstaw funkcjonowania człowieka. Wszystko to za sprawą trwającej od kilku lat rywalizacji dwóch zespołów analizujących kolejność "liter" w naszym DNA. W tym genetycznym wyścigu walczyli badacze niekomercyjnego, publicznego Projektu Badania Ludzkiego Genomu (Human Genome Project - HGP) i naukowcy z prywatnej firmy Celera Genomics. Pierwsi głosili hasło powszechnego, darmowego dostępu do wiedzy o ludzkich genach, drudzy - chcieli chronić ją patentami i czerpać z nich zyski [patrz: "Biotechnologia, genomika i polityka", WiŻ nr 1/1999]. "Państwowi" genetycy pracowali powoli, stosując sprawdzone, choć żmudne metody. "Prywatni" zainwestowali znaczne środki w supernowoczesny sprzęt oraz oprogramowanie i posługując się nową, kontrowersyjną techniką, w zawrotnym tempie gromadzili dane o genach.

To posunięcie było ostrogą dla badaczy Human Genome Project. Pod koniec 1999 roku opublikowali kompletną sekwencję 22 chromosomu [patrz: "Pierwszy chromosom rozszyfrowany", WiŻ nr 2/2000]. Jednak już w kwietniu ub.r. dr Craig Venter, przewodniczący Celera Genomics, ogłosił, że jego zespół zna kolejność nukleotydów w całym DNA jednego człowieka [patrz: "Genom w zasięgu ręki", WiŻ nr 6/2000]. Główny przedstawiciel HGP prof. Francis Collins, komentując doniesienia Celery, powiedział, że każdy, kto ogłosi zakończenie prac przed 2002 rokiem po prostu skłamie. Tymczasem już w czerwcu odegrano fanfary obwieszczające zakończenie sekwencjonowania ludzkiego genomu. Była konferencja w Białym Domu, wypowiadali się przywódcy USA i Wielkiej Brytanii, liderzy obu konkurujących zespołów naukowych ściskali sobie dłonie i zapowiadali współpracę [patrz: "Sygnały", WiŻ nr 8/2000, ]. Zawrotne tempo, w jakim genetycy uporali się ze zbadaniem naszego DNA, zapierało dech w piersiach. Projekt Badania Ludzkiego Genomu miał się przecież zakończyć najwcześniej w 2005 roku! Po dokładniejszej analizie zaprezentowanych danych trudno było się oprzeć wrażeniu, że triumfalne obwieszczenia badaczy genomów były jednak przedwczesne. Nie przebadano całego dostępnego materiału genetycznego, a na dodatek zrobiono to niezbyt dokładnie, nie przeprowadzając niezbędnej liczby kontroli odczytanej sekwencji. Przede wszystkim zaś ogłoszenie nawet największego odkrycia na konferencji prasowej nie ma żadnej wartości dla badaczy - liczą się tylko rzetelnie przygotowane artykuły w renomowanym piśmie naukowym.

Razem, ale osobno

W poniedziałek 12 lutego 2001 roku świat obiegła w końcu wiadomość o przełomowej publikacji. Wysiłki genetyków z Human Genome Project i firmy Celera doprowadziły wreszcie do poznania ludzkiego zapisu genetycznego. Triumf współpracy nad rywalizacją? Bynajmniej! Deklaracje chęci połączenia sił obu zespołów okazały się... nic nie warte. Wyniki swojej pracy ogłosiły one bowiem w dwóch odrębnych publikacjach - Celera na łamach Science, zaś Konsorcjum HGP w Nature. Obu tekstom towarzyszyło wiele artykułów komentujących przeanalizowane sekwencje, wskazujących możliwości zastosowania nowej wiedzy i, co ciekawe, porównujących konkurencyjne osiągnięcia.

Pomimo że w czerwcu ub.r. Venter i Collins podczas konferencji prasowych zapewniali o wspólnej publikacji wyników, negocjacje w tej sprawie załamały się już w grudniu. Venter wysłał swoje wyniki do Science, nie chciał jednak udostępnić wszystkim zainteresowanym kompletnych rezultatów badań. Redaktor naczelny tygodnika stanął przed poważnym dylematem. Z jednej strony pismo o takiej renomie powinno stać na straży powszechnej dostępności do danych naukowych, z drugiej - odrzucenie tekstu o takim znaczeniu byłoby dziennikarskim samobójstwem. Po długich negocjacjach artykuł przyjęto do druku, a Celera zobowiązała się do umieszczenia informacji o sekwencji w ogólnodostępnej bazie danych. Pewne ograniczenia jednak pozostały. Użytkownicy, którzy chcą ściągać na swoje komputery więcej niż 1 mln nukleotydów sekwencji tygodniowo, muszą wystąpić do Celery o zgodę, deklarując przy tym, że nie wykorzystają ich do celów komercyjnych. Koncerny farmaceutyczne i biotechnologiczne, chcące korzystać z danych, muszą podpisać z Celerą odrębne porozumienia.

Nie wszyscy jednak zgadzali się z decyzją podjętą przez redaktora naczelnego Science. Wielu jego współpracowników groziło nawet rezygnacją, jeśli w piśmie ukaże się publikacja badaczy Celery. W rozsyłanych do dziennikarzy serwisach dotyczących publikacji proszono o "przedstawienie tej sprawy w wyważony, wierny sposób, uwzględniający racje wszystkich stron". Na wieść o przyjęciu do druku materiałów zespołu Craiga Ventera genetycy z HGP, chcąc ukarać Science, demonstracyjnie złożyli swoją publikację w konkurencyjnym piśmie Nature. Z wyników ich badań można korzystać bez ograniczeń. Ogłoszenie rezultatów prac naukowców z Projektu Badania Ludzkiego Genomu i firmy Celera było więc dużym wydarzeniem medialnym.

Co w genach piszczy?

Poznanie sekwencji ludzkiego DNA to jednak przede wszystkim wielkie wydarzenie naukowe. Publikacje są bowiem ukoronowaniem 15 lat pracy genetyków z całego świata. Ostatni okres przyniósł ogromne przyspieszenie badań jeszcze 15 miesięcy temu znana była jedynie kolejność 10% nukleotydów(!). Było to niezwykłe przedsięwzięcie, którego trudność polegała m.in. na ogromnej liczbie danych do przeanalizowania. Ludzki genom jest bowiem 25-krotnie większy od największego dotychczas zsekwencjonowanego genomu, należącego do muszki owocowej. Pomimo że uczyniono dopiero pierwszy krok do wyjaśnienia tajemnic ukrytych w naszych genach, to analiza ludzkiego DNA przyniosła niezwykle cenne, ale i zaskakujące wyniki.

Pierwszą cechą, która rzuca się w oczy jest niewielka liczba genów. Ocenia się, że sekwencje kodujące białka zajmują najwyżej... 1.5% naszego DNA! Genetycy Celery zidentyfikowali 26 383 obszary, które niemal na pewno są genami i ponad 12 500 kolejnych, które mogą się nimi okazać po dalszych badaniach. Próbowali też określić funkcje niemal dwóch trzecich poznanych genów. Badacze HGP wytypowali 24 500 "pewniaków" i ok. 5000 "podejrzanych". W porównaniu do niedawnych jeszcze szacunków, które wzbijały się nawet na poziom 140 tys.(!), jest to liczba wyjątkowo skromna. Przyznanie, że mamy nieco ponad dwa razy więcej genów niż milimetrowej długości muszka owocowa, godzi nieco w dumę człowieka władcy stworzenia... Z drugiej strony prowadzi do niezwykle ważnych wniosków: o złożoności i funkcjonowaniu organizmów decyduje nie liczba genów, ale ich wzajemne powiązania i subtelna regulacja ich aktywności. Niebagatelną rolę pełni też obróbka produktów genów. Proces odczytywania informacji zawartej w DNA przebiega wieloetapowo. Najpierw treść genu zostaje przepisana na pośredni związek - RNA. Z tej cząsteczki usuwane są fragmenty niekodujące - introny, a elementy niosące jakąś informację (eksony) łączone są z powrotem w jedną całość. Proces ten nosi nazwę dojrzewania RNA (ang. splicing) i według naukowców z HGP ponad połowa ludzkich genów może być na etapie RNA rozcinana i "sklejana" na kilka różnych sposobów. Dzięki temu na bazie jednej tylko matrycy DNA można w końcowym efekcie wyprodukować szeroki wachlarz różnych białek [patrz: "Witamy w erze postgenomowej"].

Genom pełen śmieci?

Skoro jednak mamy tak mało genów, co właściwie kryje ponad 2.9 mld nukleotydów naszego DNA? Niemal jedna czwarta to "genetyczne pustynie" - obszary nie kodujące informacji o budowie i funkcjonowaniu organizmu. Dużą część stanowią także... genetyczne śmieci ("junk-DNA"). Wbrew nazwie nie są to elementy całkowicie bezużyteczne, ale ciągi powtarzających się sekwencji, o nie zbadanej jeszcze funkcji. Według publikacji w Science stanowią one 35-48% naszego genomu. Ponad połowa chromosomu 19 to właśnie taka "genetyczna czkawka". Co ciekawe, powtórzenia te nie są rozmieszczone w naszym genomie przypadkowo. Genetycy z HGP stwierdzili, że kopie jednej z takich powielonych sekwencji, nazwanej Alu, stanowią niemal 10% całego naszego DNA i znaleźć je można przede wszystkim w regionach bogatych w geny. Czyżby więc pełniły jakąś rolę?

Same geny też nie są rozłożone równomiernie. Najwięcej znajduje się ich w chromosomach 17, 19 i 22, zaś 4, 13, 18 oraz chromosomy płciowe X i Y są w porównaniu z nimi pustawe. W 1 mln nukleotydów chromosomu 19 zawarte są średnio 23 geny, podczas gdy na tej samej długości 13 jest ich tylko 5.

Jak dwie krople wody

Analiza całej sekwencji DNA pobranego od ludzi pochodzących z różnych stron świata pozwoliła stwierdzić, że każdy z nas ma 99.99% genów identycznych z dowolnym innym człowiekiem na Ziemi. Co ciekawe, różnice między ludźmi o odmiennym kolorze skóry mogą być mniejsze niż między członkami tej samej grupy. Rasizm nie ma więc żadnego genetycznego uzasadnienia. Każdy z nas jest jednak nieco inny. Decydują o tym różnice pojedynczych "liter" (nukleotydów). Badacze z Celery zidentyfikowali ponad 2.1 mln miejsc w naszym DNA, gdzie takie różnice występują. W niektórych genach jest ich wyjątkowo dużo - np. we fragmentach kodujących tzw. cząsteczki HLA sprawiają, że komórki jednego organizmu rozpoznają się jako "swój", a przeszczepy są odrzucane jako "obcy". Występują jednak fragmenty genomu wspólne dla wszystkich ludzi, a nawet wspólne dla zupełnie różnych organizmów. Około 180-200 takich fragmentów DNA ma niemal identyczną sekwencję u człowieka i myszy. Jeżeli podczas milionów lat ewolucji, która dzieli oba gatunki, w tych genach nie utrwaliły się mutacje, to znaczy, że odgrywają one jakąś istotną rolę w funkcjonowaniu organizmu. Każda ich zmiana powodowała śmierć komórki lub osobnika.

Samotny chromosom

Genetycy nadal nie wiedzą, dlaczego chromosomy drastycznie różnią się od siebie częstotliwością rekombinacji. Podczas tego procesu dochodzi do wymiany materiału genetycznego między odpowiadającymi sobie chromosomami pochodzącymi od każdego z rodziców. Okazało się, że np. chromosomy 13 rekombinują dosyć niechętnie, natomiast chromosomy 12 u kobiet i 16 u mężczyzn - niezwykle często.

Uwagę naukowców skupił chromosom Y - jedyny, który nie ma swojej pary w komórkach. Najprawdopodobniej kiedyś wyglądał on niemal identycznie jak drugi z chromosomów płciowych - X. W toku ewolucji powstały jednak między nimi znaczne różnice. Ponieważ panie są szczęśliwymi posiadaczkami pary chromosomów X, w ich komórkach może zachodzić wymiana fragmentów DNA między tymi chromosomami. Tymczasem nieparzysty Y nie ma już takiej możliwości (mężczyźni posiadają w swych komórkach zestaw XY). Wskutek tego męski chromosom zaczął degenerować, tracąc materiał genetyczny i akumulując mutacje. Jednak jednocześnie zaczął "ściągać" z innych chromosomów geny warunkujące męską płodność i tworzyć dużą liczbę ich kopii. Fragmenty DNA odpowiedzialne za wytwarzanie nasienia są wielokrotnie powtórzone w chromosomie Y - być może jest to jakiś rodzaj zabezpieczenia przed utratą czy uszkodzeniem ważnych genów? Ponieważ męski chromosom nie ma od dłuższego czasu szansy na wymianę materiału genetycznego, jest cennym źródłem informacji o ewolucji chromosomów. Genetycy będą teraz dokładnie analizowali wszystkie mutacje nagromadzone w "igreku", by dowiedzieć się m.in., jak doszło do jego "rozwodu" z chromosomem X.

Pocieszeniem dla nosicieli zdegradowanego i samotnego chromosomu może być fakt, że według publikacji w Nature to mężczyźni są głównym motorem ewolucji człowieka. W ich DNA podczas wytwarzania komórek płciowych zachodzi bowiem dwa razy więcej mutacji niż u kobiet.

Ile jest w nas z bakterii?

Naprawdę niezwykłym odkryciem badaczy z HGP było zidentyfikowanie w naszym materiale genetycznym 233 genów... bakterii! Co najciekawsze, nie są one wcale pieczołowicie przechowywaną pamiątką po wspólnym prapraprzodku człowieka i mikroorganizmów. Ponieważ nie znaleziono ich w DNA muszki owocowej, nicienia i drożdży, są prawdopodobnie nabytkiem stosunkowo nowym. Szczegółowe analizy porównawcze wykazały, że tajemnicze geny, oprócz bakterii, są obecne tylko w genomach kręgowców. Wydaje się, że znalazły się tam wskutek tzw. poziomego transferu genów przekazywania DNA między w ogóle niespokrewnionymi gatunkami. Ten proces jeszcze do niedawna uważano za całkowicie niemożliwy. Niesamowity jest fakt, że w ludzkim DNA geny pochodzenia bakteryjnego nie są wcale bezużyteczne. Naukowcy sądzą, że komórki człowieka mogą je wykorzystywać m.in. do obrony przed stresem.

Genom - to dopiero początek!

Genetycy z obu konkurujących zespołów badawczych zgodnie podkreślają, że znajomość sekwencji ludzkiego DNA to dopiero początek poznawania molekularnych podstaw życia. Naukowcy muszą teraz przede wszystkim uzupełnić białe plamy na mapie genomu, który obecnie jest poznany w około 95%. W pracach ogłoszonych przez Celerę średnia wielkość "dziur" w zbadanej sekwencji wynosiła ok. 2000 "liter", a takich braków było kilkaset. Później badaczy czeka jeszcze mozolne weryfikowanie poprawności posiadanych wyników. Na razie położenie każdego elementu w DNA człowieka zostało sprawdzone średnio cztery razy, co nie jest jeszcze osiągnięciem satysfakcjonującym. Wiarygodna sekwencja jest jednak podstawą do poznania genów i analizy ich funkcji. Stwierdzenie, jaką pełnią rolę, to już zadanie na dziesiątki lat. Zajmą się tym m.in. nowo powstałe dziedziny nauki - transkryptomika i proteomika. Z pewnością wiedza o podstawach działania naszego organizmu to potężne narzędzie. Może pozwoli nam na pokonanie chorób, długie i beztroskie życie, może odczytamy historię ewolucji naszego gatunku... Czy jednak, wyposażeni w wiedzę wielu pokoleń badaczy i potężne komputery, będziemy kiedykolwiek potrafili powiedzieć, co czyni nas ludźmi?

Publikacje genetyków z firmy Celera i Human Genome Project, wraz z towarzyszącymi analizami, są ogólnodostępne w internetowych edycjach Science i Nature: www.sciencemag.org/content/vol291/issue5507, www.nature.com/genomics/human/