Wersja do druku Napisz komentarz

Pół wieku temu odkryto tajemnicę naszych genów

50 lat temu, 25 kwietnia 1953 roku, ukazała się w "Nature" publikacja, która odmieniła współczesny świat. Nieco wcześniej w pubie Eagle w Cambridge, Francis Crick i James Watson świętowali w kręgu przyjaciół odkrycie struktury DNA - kwasu dezoksyrybonukleinowego - nośnika informacji genetycznej. Kwietniowa publikacja dotyczyła właśnie opisu struktury podwójnej helisy życiodajnego kwasu.

Ich publikacja zapoczątkowała prawdziwą lawinę odkryć. Biotechnologia, która rozwinęła się z genetyki molekularnej i inżynierii genetycznej, pozwala wprowadzać je do praktyki. Dzięki manipulacjom DNA możemy uprawiać bujne zboża tam, gdzie do tej pory rosły tylko chwasty, otrzymywać bezcenne leki w kozim mleku, skutecznie diagnozować choroby genetyczne u ludzi i zwierząt, wykrywać sprawców morderstw i gwałtów dysponując pojedynczym włosem czy kroplą krwi lub śladem spermy podejrzanego. Następstwem odkrycia z roku 1953 jest również odczytanie całego genomu człowieka, a przedtem wielu wirusów, bakterii, drożdży, muszki owocowej i robaka C. elegans. A genomika (tak nazywa się nowa nauka dotycząca badań genomów) i proteomika (badająca całość białek danego typu komórki czy organizmu, a więc produktów genomu) dają nadzieje na rozwój medycyny skrojonej na miarę każdego z nas. A raczej na miarę genomu każdego z nas.

Ale, jak zwykle w nauce, jest i druga strona medalu - zagrożenie. Badania medyczne, np. nad terapią genową, powodują nazbyt często poważne komplikacje, a nawet śmierć pacjentów, a trwałe modyfikacje genów ludzkich mogą spowodować powstanie w przyszłości nowej rasy "transgenicznych" ludzi. Podwójna helisa DNA ujawnia swe dwa różne oblicza.

Złożyć DNA "Nie ma bardziej fascynującej historii, niż odkrycie struktury DNA przez Francisa Cricka i Jamesa Watsona" - pisze premier Tony Blair w rocznicowej publikacji. Polska edycja tej książki towarzyszy cyklowi imprez, organizowanych przez krakowski oddział British Council wspólnie z Wydziałem Biotechnologii UJ, w ramach obchodów przypadającej 25 kwietnia rocznicy. Uniwersytet, który przygotował z tej okazji sesję naukową, współuczestniczył także w tworzeniu wystawy: "DNA 50 - Watson & Crick and beyond". "Jest to przejrzyście zaplanowana, interaktywna ekspozycja. Historię odkrycia DNA podzieliliśmy na 10 rozdziałów, a całość zaaranżowaliśmy w 10-metrowym kręgu. W centrum będzie można podziwiać duży model sekwencji DNA" - opisuje Alicja Dudziak, dyrektor British Council w Krakowie. Naukowcy i studenci UJ będą prezentować i pomagać widzom przy własnoręcznym składaniu modeli spirali DNA. Złożyć można będzie m.in. aspirynę czy teflon... "Udostępnimy także system komputerowy, dzięki któremu będzie można poszerzyć swoją wiedzę na temat biotechnologii i DNA" - dodaje Alicja Dudziak. W Krakowie wystawę można oglądać od 25 kwietnia do połowy maja, w nowym campusie UJ, przy ul. Gronostajowej 7, od poniedziałku do piątku, w godzinach 10.00-16.00. Następnie prezentacja odwiedzi Gdańsk, Łódź, Warszawę i Poznań. MP

Watsona i Cricka układanie cegiełek

Watson i Crick zgłębili tajemnice budowy DNA wspólnie z Mauricem Wilkinsem i Rosalind Franklin. Ta ostatnia wkrótce zmarła, nie doczekawszy przyznanej pozostałym odkrywcom w roku 1962 nagrody Nobla. Wcześniej Erwin Chargaff wykazał, że DNA zawiera tyle samo cząsteczek adeniny co tymidyny i równe ilości cytozyny i guaniny - nukleotydów budujących ten kwas nukleinowy. Watson, Crick, Wilkins i Franklin wykazali, jak i dlaczego te molekularne cegiełki układają się jedna naprzeciw drugiej w formie skręconej drabiny, zwanej podwójną helisą. Ich genialne rozwiązanie zagadki, nad którą głowiły się najtęższe umysły epoki, wyjaśniało jak geny przekazywane są z komórki do komórki od milionów lat.

Z modelu budowy DNA zaproponowanego przez Watsona i Cricka wynikało już jasno, że powielanie się informacji zapisanej w postaci ciągu nukleotydów odbywać się musi przez rozdzielenie obu nici i dobudowanie nowej do każdej z nich. Opis struktury DNA umożliwił prawdziwą eksplozję badań nad przekazywaniem informacji genetycznej. Szybko opisano podstawową maszynerię enzymatyczną odpowiedzialną za powielanie DNA, zrozumiano też, w jaki sposób geny ujawniają się w postaci białek. W roku 1965 złamano kod genetyczny, czyli wyjaśniono, jakim nukleotydom (a dokładniej ich trójkom) odpowiadają jakie aminokwasy w białku.

Badania nad DNA, regulacją jego funkcji i sposobami przekazywania zawartej w nim informacji doprowadziły do wielu odkryć, pozwalających na przenoszenie genów z jednego DNA do drugiego, pomiędzy różnymi organizmami, w końcu do konstruowania nowych genów, a nawet do modyfikowania samego kodu genetycznego przez wprowadzanie do DNA zsyntetyzowanych w laboratorium nukleotydów, a do białek nowych aminokwasów. Te zabiegi pozwalają na uzyskiwanie nieistniejących w naturze białek, których właściwości, a więc i zastosowań, nie sposób dziś przewidzieć. Biolodzy myślą też o stworzeniu od podstaw, dzięki utworzonemu w probówce DNA, nieistniejącego dotąd organizmu. Chodzi na razie o organizmy podobne do najprostszych bakterii, które miałyby wykazać minimalna liczbę genów niezbędnych do życia. Jeśli próby te uwieńczone zostaną sukcesem, byłby to tylko wstęp do manipulacji pozwalających na tworzenie nowych organizmów ad libitum.

Na Wschodzie bez zmian

W tym samym czasie, gdy nasi bohaterowie pili piwo w Cambridge, w Moskwie towarzysze z Politbiura radzili, kiedy ogłosić śmierć Stalina. Sowiecka nauka, pod absolutną władzą hochsztaplera Trofima Łysenki, jeszcze przez wiele następnych lat uznawała DNA i geny za wymysł imperializmu, a ich badanie za kapitalistyczną fanaberię. Stalinowscy pseudouczeni dowodzili, że życie istnieje jedynie dzięki wysiłkowi komórkowego proletariatu - białek. Wykazano to niezbicie, i to w publicznych eksperymentach. Życie powstawało na oczach widzów samoistnie, z materii nieożywionej. I wcale nie trzeba było do tego żadnego kwasu nukleinowego.

Jeszcze w rok po śmierci Stalina, w lutym 1954 roku, władze Uniwersytetu Warszawskiego zwolniły z etatu botanika, księdza profesora Józefa Szulete, który nie tylko obserwował pod mikroskopem "imperialistyczne" chromosomy, wybarwiając znajdujący się w nich DNA, ale również pozwalał sobie w trakcie wykładów podawać w wątpliwość zasady stalinowskiej nauki. W ZSRR Łysenko i Lepieszyńska promowali nadal badania nad "przekazywaniem cech nabytych". W ten sposób chciano stworzyć nie tylko nowe radzieckie rolnictwo, ale i nowego radzieckiego człowieka. Stalinowscy pseudonaukowcy nie wiedzieli, bo nie mogli lub nie chcieli wiedzieć, że ich koledzy z Zachodu zrozumieli właśnie, jak magazynowana jest i przenoszona informacja genetyczna. Nie rozumieli, że poznanie struktury DNA jest kluczem do uzyskania środków, pozwalających na trwałe zmienianie roślin, zwierząt i ludzi.

Dzięki Bogu odkrycie Watsona i Cricka zbiegło się ze zmierzchem stalinizmu, który zresztą bardzo skutecznie sam izolował się od biologicznych nowinek z Zachodu. Wyobraźmy sobie, że tajemnica DNA ujrzałaby światło dzienne dziesięć lat wcześniej, a Stalin pojąłby, jakie korzyści totalitarny system mógłby odnieść z manipulacji informacją genetyczną. W erze Breżniewa moglibyśmy mieć nie tylko wyścig nuklearny, ale i genetyczny. Znając sowieckich przywódców nie należy wątpić, że zawahaliby się przed podjęciem próby stworzenia wymarzonego przez Wielkiego Brata nowego, genetycznie zmodyfikowanego człowieka.

Partytura koncertu

Zasadnicza informacja dotycząca funkcjonowania naszych organizmów zapisana jest w DNA w postaci genów. Genetyczną instrukcję życia zawiera każda komórka naszego ciała. Kolejność nukleotydów DNA danego genu tłumaczona jest dzięki kodowi genetycznemu na aminokwasowy język białek. Choć niektóre komórki, przykładowo czerwone krwinki, tracą w pewnym momencie życia swoje DNA, to mogą funkcjonować nadal dzięki białkom utworzonym wcześniej według zawartej w usuniętym DNA instrukcji. Kod genetyczny, wspólny dla wszystkich żywych organizmów od bakterii do człowieka, pozwala na bezbłędny przepływ informacji z DNA do białek. Niezbędny do tego jest jednak pośrednik. Jest nim inny kwas nukleinowy o nazwie RNA. Niezwykle skomplikowana komórkowa maszyneria przepisuje informacje z DNA najpierw na RNA. Dopiero w takiej postaci informacja ta jest rozszyfrowywana przez mikroskopijne fabryki białek - rybosomy.

Istnienie pośrednika w tłumaczeniu informacji genetycznej z DNA na białka umożliwia komórce modyfikowanie instrukcji zawartej w genach. Cząsteczki RNA zawierające dokładną kopię genów zapisanych w DNA podlegają tzw. procesowi dojrzewania. Pewne fragmenty są z nich usuwane, a reszta łączy się ponownie, tworząc krótszą niż wyjściowa cząsteczkę RNA. Usuwane mogą być bardzo liczne fragmenty RNA i to w różnych jego częściach, w zależności od potrzeb komórki. Proces ten zachodzi na wiele różnych sposobów w każdej komórce naszego organizmu. Łatwo odgadnąć, że dzięki dojrzewaniu RNA zawierającego informacje jednego genu, można uzyskać nawet tysiące różnych białek, a więc tysiące zupełnie różnych produktów tego samego genu. W dodatku wycinanie i sklejanie fragmentów RNA to tylko jeden z wielu sposobów powiększania wachlarza naszych genów.

Również gotowe już białka są modyfikowane w taki sposób, że całkowicie zmieniają się ich właściwości. Chemiczna obróbka białek w komórce pozwala na dalsze modyfikowanie informacji genetycznej pochodzącej z genów. Białka tworzą też ze sobą wielocząsteczkowe kompleksy, które wykonują różne funkcje w zależności od składu ich białkowych podjednostek. Jednym słowem komórka wzbogaca i zwielokrotnia w doskonale skoordynowany sposób zawartą w DNA informację genetyczną.

Procesy te znajdują się pod kontrolą bardzo wielu genów, bo w dojrzewaniu RNA, czy modyfikowaniu białek, biorą udział liczne enzymy. Funkcjonowanie naszego genomu przypomina więc raczej koncert symfoniczny niż proste odczytywanie tekstu zapisanego w DNA. Wydobycie z DNA informacji genetycznej odpowiedniego genu i przekształcenie jej w białka przypomina wejście altówek czy fortepianu w trakcie koncertu. Może nastąpić ono na tysiące różnych sposobów, ale pełnię harmonii daje tylko jeden lub zaledwie kilka sposobów interpretacji tej genetycznej partytury. Nie dziwi biologów, że jedynie 30 tys. genów zapisanych w ludzkim DNA wystarcza do funkcjonowania naszego organizmu. Zadziwia ich natomiast ciągle, w jaki sposób nasz genom wydobywa harmonie genetycznych dźwięków pozwalających na wykonywanie w naszych komórkach symfonii życia.

Geny to nie wszystko

Choć geny są oczywiście głównymi sprawcami życia, to nie wszystkie jego przejawy zależą bezpośrednio od informacji zapisanej w postaci odpowiednio uszeregowanych w DNA nukleotydów. U ssaków, w tym i u człowieka, pewne geny są modyfikowane bez zmiany układu nukleotydów w ich DNA. Są więc one modyfikowane bez zmiany samej informacji genetycznej. Jest to zjawisko zwane "imprintingiem genetycznym" albo znakowaniem genów.

Naznaczenie genu zmienia sposób jego odczytywania w komórce, choć nie wiemy jeszcze, jak do tego dochodzi. Dwa różne typy znakowania genów zachodzą w komórkach rozrodczych kobiety i mężczyzny. Obie komórki łączą się ze sobą w procesie zapłodnienia, dając zarodek posiadający geny naznaczone uprzednio na dwa różne sposoby. Dla normalnego rozwoju zarodka konieczna jest obecność obu, męskiego i żeńskiego, typów naznaczenia tych genów. Obumieranie zarodków ssaków uzyskanych inną drogą niż przez zapłodnienie, np. przez klonowanie, jest w dużej mierze wynikiem nieprawidłowego naznaczenia tych genów. Sklonowane zarodki wykazują wiele anomalii, są przykładowo bardzo często wyjątkowo dużych rozmiarów. Powodem tych zaburzeń rozwojowych jest właśnie nieprawidłowe naznaczenie pewnych, nielicznych zresztą, genów.

Prawdziwą rewolucją w biologii było odkrycie, że nie tylko kwasy nukleinowe mogą być nośnikiem informacji genetycznej, a więc przekazywanej z pokolenia na pokolenie. Okazało się, że również białka mogą być nośnikami takiej informacji. Tak dzieje się w przypadku prionów - białek powodujących chorobę szalonych krów u bydła i Creutzfeldta-Jakoba u ludzi. Przekształcanie się zdrowych prionów w priony chorobotwórcze następuje bez jakiejkolwiek ingerencji informacji zawartej w DNA. Zmieniona cząsteczka prionu sama przekazuje informacje o swojej chorobotwórczej strukturze zdrowym białkom prionowym.

Odkrywanie roli kolejnych genów powoduje, że staramy się dopatrzyć ich roli w każdym przejawie naszego życia. Po genach odpowiedzialnych za kolor naszych oczu czy włosów, wywołujących raka, mukowiscydozę, fenyloketonurię, chcemy poznać geny otyłości, homoseksualizmu, łagodności czy gwałtowności (a więc determinujących nasze cechy charakteru), inteligencji, a może talentów malarskich, muzycznych czy poetyckich. Istnieją zapewne geny, które predysponują do takich czy innych zachowań, czy dają większe lub mniejsze zdolności w danej dziedzinie.

Ale naiwnością byłoby oczekiwanie, że kiedyś genetycy ujawnią pojedynczy gen odpowiedzialny za tak skomplikowane cechy. Na nasze zachowania seksualne, cechy charakteru, religijność czy zdolności (lub ich brak) wpływa zapewne tyleż samo informacji genetycznej, co i wpływów środowiska zewnętrznego. Oczywiście patrząc na liczbę świetnych, bo genialny był jeden, muzyków w rodzinie Bachów, nie można oprzeć się wrażeniu, że muszą tu wchodzić w grę geny. Ale na nic nie zdałyby się potencjalne "muzyczne" geny u Bachów, gdyby nie przekazywana z pokolenia na pokolenie tradycja wielbienia muzyki. Jan Sebastian dzięki swym genom wyrósłby zapewne jedynie na Janka Muzykanta, gdyby pozbawiony był wpływów swej rodziny, szkoły i całego otoczenia, jakie towarzyszyło mu w rodzinnym Eisenach, gdzie spędził dzieciństwo. Wpływ środowiska może zarówno sprzyjać rozwojowi talentów, jak i niwelować bardzo poważne, nawet genetycznie uwarunkowane, braki w poziomie inteligencji.