Genetyka „dla zabieganych”, czyli jak zrozumieć podstawy genetyki

Genetyka „dla zabieganych” to oczywiście nawiązanie do książki „Astrofizyka dla zabieganych”. Dla wielu osób genetyka to czarna magia, z której łatwo jest zrozumieć tylko to, że DNA zbudowany jest z adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny, gdzie dwa pierwsze i dwa ostatnie łączą się w pary, a całość wpływa na nasze życie. Ale co dalej? Czym właściwie jest genetyka? Co to jest gen i sekwencja DNA? Na czym polega ekspresja genów? Czym kod genetyczny różni się od informacji genetycznej? 

Zacznijmy od początku. DNA to skrót od deoxyrybonucleic acid, czyli kwas deoksyrybonukleinowy. Zbudowany jest przede wszystkim z tworzących ciąg „cegiełek” oznaczanych literami A (adenina), T (tymina), G (guanina) i C (cytozyna). Ułożone są one w określonej kolejności, nazywanej sekwencją DNA. Mówiąc prosto, mamy taki na przykład fragment DNA – AACCTTTTTTAGCCCAT – i jest on jednocześnie sekwencją DNA. Kiedy więc mowa o sekwencji DNA, chodzi po prostu o jakiś jego odcinek. DNA znajduje się na chromosomach w jądrach komórkowych oraz w mitochondriach i plastydach (np. chloroplastach). Sekwencjonowanie DNA to natomiast technika (a raczej cała grupa technik, starszych i nowszych, mniej i bardziej wydajnych i dokładnych) odczytywania kolejności nukleotydów. Ciekawa książka popularnonaukowa o sekwencjonowaniu DNA to „Neandertalczyk”.

Kwas deoksyrybonukleinowy

Gen to określona sekwencja DNA kodująca białko (zawierająca informację dla aparatu komórki o tym, jak RNA lub białko ma być zsyntetyzowane). Genom to natomiast cały zestaw wszystkich genów i innych sekwencji DNA (dobry podręcznik do genetyki można znaleźć tutaj). Jeśli mowa o genomie, chodzi o całość posiadanego przez organizm materiału genetycznego (który może być podwójny, wówczas mówimy o diploidii, a także potrójny – triploidii – itd.; przy pojedynczym jest to haploidia, prawidłowa dla komórek płciowych). Nasz genom jest zgromadzony na chromosomach – są to struktury zbudowane z białek i DNA – w postaci zawiniętej wokół białek (histonów) nici DNA. Oprócz tego nasz genom stanowi też DNA mitochondrialne, czyli DNA obecne w mitochondriach w formie kolistej (nie ma tu chromosomu), co wynika z pochodzenia mitochondriów (więcej na ten temat napisałem tutaj). Podobnie jest w przypadku chloroplastów u roślin. 

Oprócz genów mamy też niekodujące fragmenty DNA (a i same geny w swoim obrębie zawierają sekwencje nie niosące informacji o budowie RNA i białka, zwane intronami; te elementy genów, które coś kodują, to eksony). Mogą one odpowiadać za regulację odczytywania informacji genetycznej z DNA (o czym za chwilę) i są to sekwencje regulatorowe. W naszym genomie znajduje się też tzw. DNA śmieciowe, czyli DNA które nie koduje RNA ani białek i najprawdopodobniej nie pełni funkcji regulatorowych. Takich sekwencji jest w genomach organizmów jądrowych bardzo dużo (ciekawą koncepcję na ich temat przedstawił biolog Richard Dawkins w kultowej już książce popularnonaukowej „Samolubny gen” – do kupienia tutaj). Szczególnym rodzajem „śmieciowego” DNA są pseudogeny, czyli geny które na skutek mutacji straciły swoją funkcjonalność (np. gen oksydazy guloanolaktonowej u ludzi, dzięki któremu organizm może syntetyzować witaminę C, a który u nas jest „zepsuty”) i są nieaktywne.

Z zagadnieniem śmieciowego DNA wiąże się pojęcie transpozonów, a z nimi z kolei horyzontalny transfer genów. Transpozony to ruchome elementy (sekwencje DNA) w naszym genomie, uważane za potomków wirusów, które kiedyś wbudowały się do materiału genetycznego komórek płciowych (plemników i oocytów/jaj) u poszczególnych osobników i zostały przekazane następnym pokoleniom. Proces takiego wbudowania się obcego DNA nazywany jest właśnie horyzontalnym transferem genów. Sekwencje DNA zawierające transpozony są unieczynniane (np. poprzez metylację DNA), ponieważ podczas przemieszczania się w genomie wywoływałyby poważne mutacje – ich blokowanie to najpewniej forma przystosowania.

Mutacje DNA to zmiany w sekwencji genomu jądrowego lub mitochondrialnego. Mogą mieć różne „poziomy” – od modyfikacji krótkich fragmentów, czy nawet pojedynczych nukleotydów, przez nieco dłuższe odcinki DNA, aż po kawałki chromosomów (wówczas mówimy o mutacjach chromosomowych) i po całe genomy (mutacje genomowe). Chromosom może ulec np. pęknięciu. Wtedy mamy delecję (kawałek chromosomu zostaje utracony). Może też zajść duplikacja, czyli zdublowanie danego fragmentu. Istnieje wiele możliwości – kawałki chromosomów mogą się zmienić miejscami albo odwrócić się o 180 stopni. W wyniku mutacji mogą powstawać nowe RNA i białka, co skutkować może zmianą produkcji właściwej formy na wadliwą. Mutacje pozytywne jednak się zdarzają i są „premiowane” przez selekcję naturalną – te osobniki, które mają mutacje pozytywne, lepiej radzą sobie w środowisku, dłużej żyją, łatwiej się rozmnażają i korzystne mutacje przekazują następnym pokoleniom. Częste są także mutacje neutralne, czyli takie które nie są ani korzystne ani szkodliwe. Mutacje zdarzają się też we fragmentach DNA, które nie służą do wytwarzania RNA i białek (tzw. śmieciowym DNA) i wówczas nie podlegają takiej selekcji.

Prawdopodobnie spotkaliście się kiedyś z czymś takim jak pojęcie „polimorfizm DNA”. Brzmi skomplikowanie, ale to nic innego jak odmienne sekwencje DNA w poszczególnych, tych samych miejscach genomu. Tak, jak każdy ma swoje wzory linii papilarnych, tak istnieją w genomie fragmenty, które u każdego z nas są indywidualne. Występują także polimorfizmy typowe dla rodziny czy populacji (dobra książka o ewolucji człowieka do znalezienia tutaj) i wykorzystuje się je do określenia np. genetycznego rodzica, czyli testów na ojcostwo. Polimorfizmy dzieli się na te dotyczące pojedynczych nukleotydów oraz dłuższych odcinków DNA. Ponieważ polimorfizmy mogą wpływać na budowę RNA i białek (np. na skutek polimorfizmu w jakimś enzymie w określonym miejscu wbudowany zostaje inny aminokwas, przez co enzym ten ma minimalnie zmienioną aktywność czy powinowactwo do substratów), to wiązane są z określonymi cechami, a raczej predyspozycjami do wystąpienia takich cech czy chorób.

Polimorfizm pojedynczego nukleotydu

Częstym błędem w artykułach prasowych o tematyce biologicznej jest mylenie kodu genetycznego z informacją genetyczną i DNA. Jak już wiemy, DNA to sekwencja (kolejno ułożonych) nukleotydów genomu. Informacja genetyczna to informacja niesiona przez DNA o budowie RNA i białka. Kod genetyczny to natomiast system trójek (nazywanych kodonami lub tripletami) – sekwencji trzech nukleotydów – oznaczających określony aminokwas (np. sekwencja kodująca GCG oznacza alaninę, a AGC serynę). Kod genetyczny (kod DNA) jest więc instrukcją, ale nie jest ani DNA ani informacją genetyczną.

Kod genetyczny

Ekspresja genów oznacza to, w jakim stopniu (z jakim nasileniem) są one odczytywane i przepisywane na RNA i białko. O co w tym chodzi? Otóż dany gen może być „uaktywniany” do wytwarzania RNA i białka bardzo często, rzadziej, rzadko albo nawet być nieaktywny. Czyli wysoka ekspresja genu oznacza, że dany gen jest często i intensywnie przepisywany na RNA i białko (i tym samym mamy tegoż RNA czy białka w komórce dużo), a niska ekspresja – odwrotnie. Brak ekspresji genu to po prostu brak produkcji RNA i białka. Całość można dla lepszego zrozumienia porównać do jakiejkolwiek czynności. Na przykład jeżeli leżę na łóżku i wstaję z niego co minutę, to „ekspresja” mojego wstawania jest wysoka, a jeśli wstaję co godzinę – niska. Jeśli nie wstaję wcale – jest zerowa. Główne procesy składające się na ekspresję genów to transkrypcja – przepisywanie DNA na RNA – oraz translacja, czyli przepisywanie RNA na białka – nazywana też syntezą białka.

Wraz z rozwojem nowego organizmu – począwszy od zygoty – liczba komórek zwiększa się (na początku wykładniczo). Kiedy przestajemy rosnąć, to tak czy inaczej nasze komórki wciąż się mnożą w procesie regeneracji. A jak to się dzieje, że nowa komórka ma swoje DNA? Otóż cząsteczki DNA można najpierw podzielić na pół, potem dobudować drugą połowę komplementarnie i gotowe. Co to oznacza? Najpierw nić DNA jest rozdzielana na dwie pojedyncze nici. Następnie, zgodnie z zasadą że adenina łączy się z tyminą, a cytozyna z guaniną, do obu nici dołączane są odpowiednie nukleotydy. Na tym właśnie polega replikacja DNA i dzięki temu procesowi możemy rosnąć i regenerować się.

Wspomniałem wcześniej o metylacji DNA, jako sposobie na unieruchomienie transpozonów, czyli ruchomych fragmentów DNA, które przemieszczając się w genomie mogą wywoływać mutacje. Metylacja DNA (więcej o metylacji DNA napisałem tutaj) to proces dołączania do nukleotydów DNA (głównie do cytozyny) cząsteczek CH3, czyli grupy metylowej. Proces ten sprawia, że zmetylowane fragmenty stają się na chromosomie bardziej gęste (skondensowane). To z kolei utrudnia (lub blokuje całkowicie) dostęp do DNA dla białek rozpoczynających proces transkrypcji (czynników transkrypcyjnych), czyli obniża lub hamuje ekspresję genów. W związku z tym im silniej zmetylowana jest sekwencja DNA, tym słabiej ulega ekspresji. Ciekawą jest popularnonaukowa książka o metylacji DNA i o związanej z nią epigenetyce „Jednakowo odmienni”.

Metylacja DNA

Przejdźmy do genotypu i fenotypu. To, jakie mamy geny (ich sekwencja, to czy są dominujące, czyli z silniejszą ekspresją, czy recesywne, których ekspresja w obecności genów dominujących nie przebija się do fenotypu) jest naszym genotypem i analogicznie to, jakie mamy cechy (szeroko pojęte – na przykład grupę krwi, strukturę enzymów, kolor włosów, kształt nosa, zachowanie) jest naszym fenotypem. Idąc do konkretnego przykładu: geny kodujące białka decydujące o grupie krwi A to genotyp, a grupa krwi A to fenotyp. Geny stanowiące o brązowych oczach to genotyp, a brązowe oczy to fenotyp. Geny odpowiadające za rozwój funkcji poznawczych to genotyp, a funkcje poznawcze, ich poziom, wykształcenie, jakość – to fenotyp.

Geny podlegają ewolucji. Co to oznacza? Genotyp determinuje fenotyp, czyli to jak wygląda i funkcjonuje organizm. W związku z tym sekwencje DNA, które kodują białka budujące organizm tak, że jest on lepiej przystosowany do określonych warunków środowiska (unikanie drapieżników, zdobywanie pożywienia, odporność na mróz, zachowania społeczne i wiele innych) i lepiej się rozmnaża, są częściej przekazywane do kolejnych pokoleń. Na tej zasadzie geny podlegają selekcji. Na przykład jeśli mamy populację gryzoni, które żyją we względnie ciemnobrązowym krajobrazie, to mutacja w genie odpowiedzialnym za barwę futra zmieniająca je na nieco ciemniejsze, będzie częściej przekazywana do następnego pokolenia. Z kolei mutacja genetyczna, która uczyni futro jaśniejsze prawdopodobnie będzie mieć mniejsze szanse na przejście do kolejnych pokoleń, bo nosiciele tej mutacji będą częściej padać ofiarami drapieżników. Opisany mechanizm to dobór naturalny (selekcja naturalna). Takie nagromadzenie często drobnych zmian, ale na przestrzeni wielu pokoleń, prowadzi do powstawania nowych wersji różnych cech lub w ogóle nowych cech; do powstawania nowych odmian, gatunków, rodzajów, rodzin, rzędów, gromad i wreszcie typów. Najlepszy podręcznik do biologii ewolucyjnej w języku polskim można kupić tutaj.

Często stawiane jest pytanie o to, co kształtuje nas takich, jakimi jesteśmy. Geny czy środowisko? Odpowiedź nie jest zerojedynkowa, ponieważ zarówno geny, jak i środowisko wpływają na ostateczny wynik, a dodatkowo wzajemnie na siebie oddziałują. Istnieją „genetycznie twarde” cechy, gdzie środowisko ma niewielki, a nawet znikomy wpływ – na przykład grupa krwi. Ale są i takie, jak wzrost czy inteligencja, przy których czynniki środowiskowe mają bardzo duże znaczenie. Bo co z tego, że ktoś genetycznie predysponowany jest do bycia wysokim, jak przy niedoborze pożywienia aż tak nie urośnie. Często genetyczne predyspozycje są uaktywniane albo hamowane czynnikami środowiskowymi. We wszystko to zamieszany jest jeszcze poziom metylacji DNA. Jak napisałem wyżej, reguluje on ekspresję genów, a samo ich metylowanie zależy od wielu czynników środowiskowych: stresu, aktywności fizycznej, odżywiania, kontaktu z zanieczyszczeniami, składem mikrobiomu jelit i wieloma innymi (więcej na ten temat tu).

Genetyka jest na tyle zaawansowaną dziedziną biologii, że na ogół trudniej jest ją zrozumieć w porównaniu do popularnej zoologii, embriologii czy nawet fizjologii. Wymaga wyobraźni, ponieważ wiele zjawisk i mechanizmów opisujemy albo z obserwacji mikroskopowych bądź też w ogóle na podstawie dowodów pośrednich. Genetyka jest jednocześnie jedną z najprężniej rozwijających się dziedzin – już nie tylko w biologii, ale w ogóle w naukach przyrodniczych – i coraz bardziej wpływa na nasze codzienne życie: wyżywienie, leczenie, edukację. Dlatego warto mieć chociaż najbardziej podstawową wiedzę na ten temat, by rozumieć co się dzieje i co zmienia się na świecie.

Prowadzenie bloga naukowego wymaga ponoszenia kosztów. Merytoryczne przygotowanie do napisania artykułu to często godziny czytania podręczników i publikacji. Zdecydowałem się więc stworzyć profil na Patronite, gdzie w prosty sposób możecie ustawić comiesięczne wpłaty na rozwój bloga. Dzięki temu może on funkcjonować i będzie lepiej się rozwijać. Pięć lub dziesięć złotych miesięcznie nie jest dla jednej osoby dużą kwotą, ale przy wsparciu wielu osób staje się realnym, finansowym patronatem bloga, dzięki któremu mogę poświęcać więcej czasu na pisanie artykułów.

Literatura

Douglas J. Futuyma. Ewolucja. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa 2005.

Ryszard Słomski. Analiza DNA. Teoria i praktyka. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Poznań 2011.

Stanisława M. Rogalska, Magdalena Achrem, Andrzej Wojciechowski. Chromatyna. Molekularne mechanizmy epigenetyczne. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. Poznań 2010.

T.A. Brown. Genomy. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2009.

Winter P., Hickey I., Fletcher H. Krótkie wykłady. Genetyka. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2013.