Genom ukryty poza DNA - Gibbs.pdf - biologia molekularna - bacha67

TA CGCG ACAGCCAGCGCT CGCGCG CTCAGACAGAGCT CGCG AGCCGCGCGGATAGCTAGC CGCG CGGATA

M M M

Genom

BLIèNI¢TA JEDNOJAJOWE majà identycznà sekwencj´ DNA.

Jednak gdy u jednego z nich ujawnia si´ z∏o˝ona choroba

po cz´Êci uwarunkowana genetycznie, na przyk∏ad schizofrenia,

choroba afektywna dwubiegunowa lub cukrzyca typu I,

drugie zazwyczaj pozostaje zdrowe. Mogà tu odgrywaç rol´

czynniki Êrodowiskowe, ale biolodzy coraz bardziej sk∏aniajà si´

ku tezie, ˝e wa˝ne cechy organizmu sà przekazywane

epigenetycznie – przez chromosomy, a nie samà sekwencj´ DNA.

ukryty poza DNA

W. Wayt Gibbs

DNA by∏ dotàd postrzegany

jako jedyne êród∏o informacji

genetycznej. Ostatnio jednak

biolodzy odkryli inny,

bardziej plastyczny zapis

zakodowany w chromosomach.

Genetyka ust´puje

miejsca epigenetyce

M M

TA CGCGCGC AGCCAGCGCT CGCGCG CTCAGACAGAGCT CGCGCG CCGCGCGGATAGCTAGC CGCG CGTAA

M M

58 ÂWIAT NAUKI STYCZE¡ 2004

M M M M

„Ludzki genom zapisano na chipie”

– krzycza∏y w paêdzierniku nag∏ówki gazet,

po tym jak amerykaƒski New York Times poda∏, ˝e trzy firmy

biotechnologiczne opracowa∏y urzàdzenie wielkoÊci paznok-

cia zapisujàce aktywnoÊç wszystkich genów znajdujàcych si´

w próbce ludzkiej tkanki. Uda∏o si´ zatem zrealizowaç jed-

no z za∏o˝eƒ Projektu Poznania Ludzkiego Genomu: skanujàc

sekwencj´ DNA, naukowcy potrafià odgadnàç, które frag-

menty sà czynne – tzn. sà transkrybowane na RNA, a nast´p-

nie ulegajà translacji na funkcjonalne bia∏ka.

Kiedy w kwietniu ub.r. opublikowano „ostateczny szkic”

sekwencji ludzkiego DNA, wielu badaczy mówi∏o, ˝e zawar-

te w ludzkim DNA ciàgi trzech miliardów zasad (A, T, G i C)

stanowià (do wyboru): „ksi´g´ dziedzicznoÊci”, „kod êród∏o-

wy komórek” lub „plan tworzenia ˝ycia”. Jednak prawd´

mówiàc, wszystkie te okreÊlenia nie sà do koƒca trafne.

Informacja genetyczna, przechowywana w chromosomach

i kierujàca rozwojem organizmu, nie jest przekazywana z po-

kolenia na pokolenie w niezmiennej formie. Dziedziczymy

raczej biochemicznà maszyn´ o budzàcym podziw stopniu

z∏o˝onoÊci. Tak jak wszystkie maszyny dzia∏a ona w przestrze-

ni trójwymiarowej i sk∏ada si´ z ró˝nych aktywnie wspó∏dzia-

∏ajàcych elementów.

Geny kodujàce bia∏ka sà tylko jednà z tych cz´Êci, stosun-

kowo ma∏à – stanowià mniej ni˝ 2% DNA obecnego w ka˝dej

z ludzkich komórek. Jednak przez ostatnie pó∏ wieku to w∏a-

Ênie te geny by∏y traktowane jako magazyn cech dziedzicz-

nych. Wszystko za sprawà pojmowania genomu jako planu.

Ju˝ w latach szeÊçdziesiàtych naukowcy odkryli wa˝ne in-

formacje ukryte w innych ni˝ geny miejscach chromosomów.

Niektóre wciÊni´te pomi´dzy niekodujàcy DNA, inne le˝àce

poza samà sekwencjà DNA. Narz´dzia in˝ynierii genetycz-

nej sprawdzajà si´ najlepiej w odniesieniu do konwencjonal-

nych genów i bia∏ek, dlatego naukowcy najpilniej szukali tam,

gdzie by∏o to naj∏atwiejsze.

W ostatnich latach dok∏adniej zbadano ukryte cz´Êci geno-

mu, starajàc si´ wyjaÊniç sprzeczne z obecnà wiedzà o dzie-

dziczeniu cech anomalie: choroby, które dotykajà ca∏e rodzi-

ny w sposób ca∏kowicie nieprzewidywalny, na przyk∏ad

wyst´pujà u jednego z bliêniàt jednojajowych; geny, które sà

w∏àczone w pewnych komórkach nowotworowych, a w in-

nych nie – mimo ˝e nie ró˝nià si´ ˝adnà mutacjà; obumiera-

nie klonów jeszcze w okresie p∏odowym. Okaza∏o si´, ˝e te

rodzaje informacji, chocia˝ nie pochodzà z genów kodujà-

cych bia∏ka, sà na wiele sposobów zwiàzane z dziedzicze-

niem, rozwojem i chorobami.

W artykule „Genomowe klejnoty i Êmieci” [ Âwiat Nauki ,

grudzieƒ 2003] napisa∏em, ˝e informacja genetyczna mo˝e

byç tak˝e zawarta w genach kodujàcych tylko RNA, znajdu-

jàcych si´ w obr´bie obszarów Êmieciowego DNA. Nauka

lekcewa˝y∏a te fragmenty genomu i traktowa∏a je jako bez-

u˝ytecznà pozosta∏oÊç ewolucji, poniewa˝ nie kodowa∏y ˝ad-

nych bia∏ek. Okazuje si´ jednak, ˝e te niekonwencjonalne

geny dajà poczàtek aktywnym czàsteczkom RNA, które wp∏y-

wajà na funkcjonowanie zwyk∏ych genów. Zaburzenia dzia-

∏ania genów kodujàcych tylko RNA mogà wyrzàdziç powa˝-

ne szkody.

Kolejna cz´Êç maszyny genomowej jest równie fascynu-

jàca jak istnienie genów kodujàcych tylko RNA, a byç mo˝e

tak˝e bardziej istotna. Jest to informacja epigenetyczna („ze-

wnàtrzgenetyczna”) ukryta w zwiàzkach chemicznych, któ-

re oblepiajà i podtrzymujà DNA. Pi´tna epigenetyczne mogà

wywieraç ogromny wp∏yw na zdrowie i inne cechy organi-

zmu. Niektóre, choç nie zmieniajà sekwencji DNA, sà prze-

kazywane potomstwu.

Genetycy muszà jeszcze rozszyfrowaç skomplikowany sche-

mat, na podstawie którego oznaczenia epigenetyczne oddzia-

∏ujà z innymi elementami genomu. Obecnie wiadomo ju˝, ˝e od-

grywajà one kluczowà rol´ w roÊni´ciu i starzeniu si´ organizmu

oraz w procesie nowotworzenia. Epimutacje mogà si´ tak˝e

przyczyniaç do powstania cukrzycy, schizofrenii, choroby afek-

tywnej dwubiegunowej i wielu innych z∏o˝onych schorzeƒ.

Naukowcy majà nadziej´, ˝e dzi´ki epigenetyce uda si´

znaleêç nowe sposoby leczenia tych chorób. O ile komórki

zawzi´cie bronià DNA przed mutacjami, o tyle rutynowo do-

dajà lub usuwajà oznaczenia epigenetyczne. A zatem za po-

mocà leków mo˝na by majstrowaç w kodzie epigenetycznym,

w∏àczajàc i wy∏àczajàc ca∏e zespo∏y genów. Nowe Êrodki

odwraca∏yby niektóre uszkodzenia genetyczne towarzyszàce

procesowi starzenia si´ lub powstawaniu raka.

Przeglàd / Epigenetyka

Pi´kne poÊladki

HISTORIA SOLID GOLD (Szczerego Z∏ota) dobrze ilustruje, jak

wyró˝nione cz´Êci genomu wspó∏pracujà ze sobà, zaprzecza-

jàc przyj´tym poglàdom na temat dziedziczenia. Baran uro-

dzony w 1983 roku na ranczo w Oklahomie zosta∏ nazwany

Solid Gold, po tym jak tylna cz´Êç jego cia∏a bardzo si´ roz-

ros∏a. Hodowca natychmiast postanowi∏ zrobiç z niego re-

produktora, czujàc, ˝e ta cecha, b´dàca wynikiem mutacji,

przyniesie du˝e zyski. RzeczywiÊcie, du˝y zad by∏ konsekwen-

cjà pojedynczej mutacji w chromosomie 18.

Synowie Solid Gold o dorodnych poÊladkach byli krzy˝o-

wani ze zwyk∏ymi owcami. Po∏owa potomstwa, zarówno sam-

n Wi´kszoÊç informacji o cechach organizmu jest przekazywana

przez geny kodujàce bia∏ka. Ogromny wp∏yw na zdrowie

i wyglàd ma te˝ kod epigenetyczny – zawarty w chemicznych

oznaczeniach niezapisanych w uk∏adzie nukleotydów

(cegie∏ek) DNA.

n Kod epigenetyczny mo˝e t∏umaczyç, dlaczego pewne choroby

„przeskakujà” pokolenie lub dotykajà tylko jednego z bliêniàt

jednojajowych. B∏´dy epigenetyczne majà równie˝

prawdopodobnie pewne znaczenie w procesie nowotworzenia.

n Genom dzia∏a jak maszyna sk∏adajàca si´ z kilku oddzia∏ujàcych

ze sobà skomplikowanych elementów. Na cz´Êç epigenetycznà

∏atwiej b´dzie wp∏ywaç lekami ni˝ na sekwencj´ DNA.

60 ÂWIAT NAUKI STYCZE¡ 2004

OGROMNY ZAD odró˝nia owc´ ( pierwsza z prawej ) i barana ( drugi z prawej ) callipyge od ich zwyczajnego rodzeƒstwa. Dziwny sposób dziedzicze-

nia tej cechy mo˝na wyt∏umaczyç tylko za pomocà interakcji trzech ró˝nych genomowych zasobów informacji.

ce, jak i samice, dziedziczy∏a po˝àdanà cech´ po ojcu. Ba-

dacze nazwali je callipyge (od greckiego „pi´kne poÊladki”).

Taki podzia∏ cechy (pó∏ na pó∏) wÊród potomstwa jest typo-

wy dla mutacji w genie dominujàcym. „Potem sprawy przy-

j´∏y bardziej interesujàcy obrót” – wspomina Michel Georges,

badacz z Université de Li¯ge w Belgii, którego poproszono o

konsultacj´. Kiedy kojarzono samic´ callipyge ze zwyk∏ymi

samcami ani jedno jagni´ nie mia∏o charakterystycznych dla

ich matki poÊladków, choç niektóre odziedziczy∏y mutacj´.

Nast´pnie genetycy próbowali skrzy˝owaç normalnie wy-

glàdajàce barany, ale b´dàce nosicielami mutacji, ze zwyk∏y-

mi owcami. I voil∫ – po∏owa jagniàt mia∏a przeroÊni´te poÊlad-

ki. Tak wi´c cecha ujawnia∏a si´ tylko wtedy, gdy zwierz´ta

dziedziczy∏y jà po ojcu.

„Sprawa sta∏a si´ naprawd´ dziwna” – kontynuuje Geor-

ges – kiedy w hodowli uzyskano owce niosàce dwa allele cal-

lipyge (majàce t´ samà mutacj´ w obu kopiach chromoso-

mu). Gdyby callipyge by∏ standardowym genem, zwierz´ta

dziedziczàce mutacj´ po obojgu rodzicach mia∏yby zapew-

nione gigantyczne uda. Jednak wyglàda∏y ca∏kowicie normal-

nie [ ramka na nast´pnej stronie ]. O co w tym wszystkim cho-

dzi? – zastanawiali si´ naukowcy.

Po dziesi´ciu latach eksperymentów znaleziono odpowiedê.

W maju ub.r. Georges wraz ze wspó∏pracownikami opubli-

kowa∏ przepis na cech´ callipyge . W sk∏ad receptury wcho-

dzi jeden zwyk∏y gen kodujàcy bia∏ko, co najmniej jeden gen

kodujàcy tylko RNA i dwa zjawiska epigenetyczne. Ostatnim

sk∏adnikiem jest ma∏a mutacja. Zasada G (guanina) wyst´pu-

je zamiast zasady A (adeniny) „poÊrodku pustyni genowej, o

30 tys. par zasad od najbli˝szego znanego genu” – mówi

Georges. W jakiÊ sposób znajdujàcy si´ w tym miejscu DNA

kontroluje aktywnoÊç sk∏adajàcych si´ na przepis genów ko-

dujàcych bia∏ka i kodujàcych tylko RNA, mieszczàcych si´

na tym samym chromosomie.

Zamiana A na G mo˝e wywo∏aç ich podwy˝szonà aktyw-

noÊç, powodujàc tym samym nadmierne wytwarzanie bia∏-

ka lub aktywnych RNA w komórkach mi´Êniowych. ObfitoÊç

bia∏ka t∏umaczy powstanie wielkiego zadu, ale nie dziwnego

wzoru dziedziczenia. Georges wraz z innymi dostrzeg∏ w

drzewie rodowym dzia∏anie zjawiska epigenetycznego

– imprintingu.

W wi´kszoÊci wypadków geny matczyne i ojcowskie w∏àcza-

jà si´ i wy∏àczajà jednoczeÊnie. Imprinting burzy t´ równowa-

g´. Niektóre geny ulegajà ekspresji tylko wtedy, gdy pocho-

dzà od ojca. Ten sam gen (allel), ale pochodzàcy od matki,

ulega wyciszeniu. Gen kodujàcy bia∏ko, które powoduje roz-

rost zadu, dzia∏a w taki w∏aÊnie sposób. Dlatego owce dziedzi-

czàce mutacj´ z A na G po matce wyglàdajà zwyczajnie.

Wprost przeciwnie dzia∏a imprinting genu (lub genów) ko-

dujàcego aktywny RNA – tylko allele znajdujàce si´ na chro-

mosomie pochodzàcym od matki sà aktywne. Ten kolejny

element czarnoksi´stwa epigenetycznego pomaga wyt∏uma-

czyç, dlaczego zwierz´ta majàce dwa allele callipyge wyglà-

dajà normalnie.

U tych podwójnych mutantów zmiana w chromosomie oj-

ca zwi´ksza aktywnoÊç genu kodujàcego bia∏ko. W tym sa-

mym czasie kopia zmutowanego genu z chromosomu mat-

czynego podnosi poziom produkcji aktywnych czàsteczek

RNA. W jakiÊ sposób nadmiar RNA blokuje wzmocnienie

sygna∏u wzrostu i jagni´ wyglàda zwyczajnie.

Takie zjawisko naddominacji zdaje si´ rzadkie, choç sam im-

printing jest doÊç cz´sty, szczególnie u roÊlin kwiatowych.

Randy L. Jirtle z Duke University prowadzi coraz obszer-

niejszy wykaz ludzkich genów podlegajàcych imprintingowi

– aktualnie ich liczba dochodzi do 75. Wiele czeka jeszcze na

odkrycie. Maxwell P. Lee z National Cancer Institute dono-

si∏ w sierpniu ub.r., ˝e na 602 geny zbadane u siedmiu osób

po∏owa wykazywa∏a wy˝szà aktywnoÊç jednego z alleli. W

STYCZE¡ 2004 ÂWIAT NAUKI 61

ZAKR¢TY I ZWROTY W DRZEWIE RODOWYM

DWADZIEÂCIA LAT TEMU urodzi∏ si´ baran nazwany Solid Gold. W chromosomie 18 mia∏ on mutacj´ powodujàcà niezwyk∏y

rozrost zadu. Baran przekaza∏ t´ cech´ mniej wi´cej po∏owie swojego potomstwa ( zielony ) wed∏ug wzoru typowego dla cechy do-

minujàcej. W dalszych pokoleniach okaza∏o si´, ˝e owce dziedziczàce mutacje po matce wyglàdajà zwyczajnie ( niebieski ), na-

wet jeÊli majà drugà kopi´ tego genu po ojcu ( fioletowy ). W wyniku zjawisk epigenetycznych jedynie u owiec dziedziczàcych jed-

nà kopi´ mutacji po ojcu rozwija si´ du˝y zad ( pomaraƒczowy ).

Pierwotna mutacja warunkujàca du˝y

zad pojawi∏a si´ u barana nazwanego

Solid Gold, którego nast´pnie

krzy˝owano ze zwyk∏ymi owcami.

Pierwsze pokolenie zdawa∏o si´

dziedziczyç zgodnie

ze schematem dla cechy

dominujàcej (osobniki dziedziczàce

mutacj´ mia∏y du˝e zady)...

... ale tylko

barany

przekazywa∏y

cech´ drugiemu

pokoleniu...

Cecha przeskakuje pokolenie ( niebieski ),

gdy jest przekazywana przez owc´.

... a w trzecim

pokoleniu

schemat

dziedziczenia

stawa∏ si´

naprawd´

zadziwiajàcy.

Jednak pojawia si´ u ka˝dego

potomka ( pomaraƒczowy )

barana majàcego mutacj´

w obu kopiach chromosomu 18.

LEGENDA

Baran ( z lewej )

i owca ( z prawej )

Zwyczajne osobniki

niespokrewnione

z Solid Gold

Zwyczajni

potomkowie

Krzy˝owanie

Chromosom 18

od ojca ( z lewej ) i matki

( z prawej )

Zmutowany

chromosom

przypadku 170 spoÊród tych genów ró˝nica aktywnoÊci mi´-

dzy allelami by∏a ponad czterokrotna.

W czasie pierwszych kilku dni od pocz´cia niemal wszyst-

kie oznaczenia epigenetyczne sà usuwane z chromosomów. Jak

to si´ dzieje – pozostaje tajemnicà. GdzieÊ pomi´dzy tym mo-

mentem a po∏owà cià˝y pi´tna te sà odtwarzane – twierdzi

Emma Whitelaw z University of Sydney. Niestety, podczas

odtwarzania zdarzajà si´ b∏´dy.

Imprintingowi zwykle ulega na przyk∏ad ludzki gen insuli-

nopodobnego czynnika wzrostu 2 ( IGF-2 ) – kopia matczyna

jest nieaktywna. Jednak u jednej osoby na 10 nie ma ozna-

czenia epigenetycznego w tym genie. „Znajdujemy t´ wad´

u 40% ludzi z rakiem okr´˝nicy – zauwa˝a Carmen Sapien-

za z Temple University. – Jest to tylko pewna zbie˝noÊç, ale bar-

dzo interesujàca”. Obecnie badana jest przydatnoÊç testu krwi

umo˝liwiajàcego wykrywanie zaniku imprintingu IGF-2 w

ocenie zagro˝enia rakiem okr´˝nicy. Wadliwe dzia∏anie imprin-

tingu mo˝e byç zwiàzane z kilkoma innymi chorobami gene-

tycznymi, na przyk∏ad z zespo∏em Pradera i Willego, Angelma-

na oraz Beckwitha i Wiedemanna. Ten ostatni charakteryzuje

si´ przed- i pourodzeniowym gigantyzmem, deformacjà twa-

rzy i zwi´kszonym ryzykiem nowotworów w dzieciƒstwie.

ZmiennoÊç epigenetyczna „mog∏aby t∏umaczyç brak wspó∏-

wyst´powania chorób u bliêniàt jednojajowych” – sugeruje

Whitelaw. Bliêni´ta te majà identycznà sekwencj´ DNA. Jed-

nak czasami, gdy jedno zapada na chorob´ o pod∏o˝u genetycz-

nym, takà jak schizofrenia, choroba afektywna dwubieguno-

wa lub cukrzyca typu I, drugie nie choruje. W zesz∏ym roku

zespó∏ Rosanny Weksberg z Hospital for Sick Children w To-

ronto bada∏ bliêni´ta, z których tylko jedno cierpia∏o na ze-

spó∏ Beckwitha i Wiedemanna – we wszystkich wypadkach

okaza∏o si´, ˝e chore dziecko nie ma oznaczeƒ epigenetycz-

nych w kluczowym rejonie chromosomu 11.

„Najwyraêniej zjawisko to ma bardzo istotny wp∏yw na roz-

wój organizmu – wystàpienie raka czy wad wrodzonych

– mówi Francis Collins, dyrektor National Human Genome Re-

search Institute. – Naukowcy nie do koƒca wiedzà, jak dzia-

∏a imprinting, ale metylacja DNA wydaje si´ odgrywaç w tym

procesie znaczàcà rol´”.

Zmetylowaç i wyciszyç

PROSTE , ALE SKUTECZNE : grupa metylowa gotowa do dzia∏ania

sk∏ada si´ z w´gla, trzech atomów wodoru i jednego elek-

tronu. Ma ona szczególne powinowactwo do zasad C (cyto-

zyny) w DNA. Specyficzne enzymy od∏àczajà grupy metylowe

ze sk∏adników pokarmowych, takich jak kwas foliowy czy

witamina B 12 , i przy∏àczajà je do okreÊlonych zasad C w ca-

∏ym genomie.

62 ÂWIAT NAUKI STYCZE¡ 2004

Genom ukryty poza DNA - Gibbs.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: