Genetyka medyczna i molekularna - ebook

PRZEDMOWA DO WYDANIA PIĄTEGO

Zapraszamy do lektury piątego wydania książki, która, tak jak genetyka medyczna i biologia molekularna, przechodziła w ciągu minionych 20 lat widoczne zmiany. Niezmienne, stanowiące kanon genetyki, pozostają prawa Mendla, sposoby dziedziczenia, jak i zasady kodowania informacji genetycznej. Kod genetyczny jest identyczny w całym świecie ożywionym. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na często powtarzany błąd. Różnice, w tym osobnicze, dotyczą nie systemu kodowania, a jedynie informacji genetycznej jako takiej.

Niejako nawiązaniem do wspomnianych praw i podstaw genetyki będzie przypomnienie, że w 2023 r. mija 70. rocznica zaproponowania przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka struktury DNA. Jest to niejako dopełnienie informacji z jednego z poprzednich wydań, gdzie nawiązywaliś­my do 150. rocznicy ogłoszenia przez Grzegorza Mendla praw dziedziczenia.

Współczesna medycyna w wielu płaszczyznach jest postrzegana jako medycyna molekularna, gdzie słowo „molekularna” utożsamiane jest z osiągnięciami genetyki i innowacyjnością technologii. Poznanie pełnego zapisu informacji zawartej w genomie człowieka otworzyło nową erę przed genetyką medyczną i wyznaczyło główne kierunki rozwoju medycyny. Współczesne możliwości analizy kwasów nukleinowych i narzędzia bioinformatyczne są wykorzystywane w badaniach w zasadzie wszystkich typów chorób człowieka – zarówno w badaniach naukowych, jak i racjonalnych, odpowiadających poziomowi współczesnej wiedzy badaniach diagnostycznych. Diagnostyka chorób genetycznie uwarunkowanych, patologia molekularna i zmienność osobnicza widziane są przez pryzmat rutynowej analizy przynajmniej całej części kodującej genomu.

Badania naukowe nad poznaniem etiopatogenezy chorób w zakresie struktury genomu, mechanizmów regulacji ekspresji genów, syntezy białek, złożonych procesów ich modyfikacji i wzajemnego oddziaływania mają obok wartości poznawczej ogromne znaczenie dla tworzenia nowych koncepcji terapeutycznych w medycynie klinicznej oraz zapewnienia pacjentom i ich rodzinom kompleksowej opieki uwzględniającej poradnictwo genetyczne. W książce dokumentujemy wiele rozwiązań z zakresu genetyki medycznej i biologii molekularnej, które z rozważań natury teoretycznej nabrały praktycznego znaczenia. Mamy tu na myśli nie tylko testy genetyczne jako takie, zdobycze biotechnologii, jak i np. immunoterapię w chorobach nowotworowych i klasyczną somatyczną terapię genową w chorobach dziedzicznych. Spektakularnym osiągnięciem, z medycznego i organizacyjnego punktu widzenia, było wprowadzenie w Polsce w 2022 r. terapii genowej rdzeniowego zaniku mięśni (SMA) na bazie noworodkowego powszechnego molekularnego badania przesiewowego.

Często mówi się o rewolucyjnych zmianach i dokonaniach w genetyce od czasu, gdy Watson i Crick przedstawili strukturę DNA. Genetyka to nauka o dziedziczeniu i zmienności. Można przewidywać dalsze kierunki jej rozwoju. Zapewne jednym z nich będzie oddziaływanie środowiska pośrednio, ale i bezpośrednio na nasz genom. Ważnym zagadnieniem jest w tym kontekście mikrobiom, często nazywany drugim genomem. Kolejnym są zmiany epigenetyczne, którym w książce poświęcamy bardzo dużo miejsca. Grupy funkcyjne, często uzależnione od zmian w środowisku, w tym warunków i trybu życia, przyłączając się do poszczególnych nukleotydów w DNA, modyfikują ekspresję genów, co może się przejawiać w zmianach fenotypowych, zachowaniach, postępie procesu starzenia czy występowaniu chorób wrodzonych nawet u osób o identycznym genomie (bliźnięta jednojajowe).

* * *

Struktura obecnego wydania pozostaje niemal bez zmian. Większość rozdziałów została uaktualniona. Wydanie piąte uzupełniono o rozdziały poświęcone genealogii genetycznej i przesiewowym badaniom noworodków w kierunku genetycznych wad wrodzonych. Zasadniczo zmieniono rozdziały o terapii genowej. Doszła immunoterapia. Na nowo spojrzeliśmy na molekularne aspekty klinicznych badań nowotworowych. Rozdział Biotechnologia w pozyskiwaniu naturalnych farmaceutyków z poprzednich wydań nabrał zupełnie nowego wymiaru, w pełni, jak się wydaje, odpowiadający dzisiejszym dokonaniom. Wzajemnie uzupełniają się Techniki inżynierii genetycznej w terapii genowej, medycynie regeneracyjnej i transplantacyjnej oraz Biofarmaceutyki wytwarzane metodami inżynierii genetycznej. Zachowana jest integralność poszczególnych rozdziałów, co skutkuje tym, że pełną wiedzę z danego tematu czytelnik znajdzie w kilku miejscach książki – tak jest w przypadku zastosowań sekwencjonowania następnej generacji w diagnostyce genetycznej, redagowania DNA, terapii genowej. Niektóre rozdziały wzajemnie się uzupełniają, np. Genetyczne choroby metaboliczne i Program badań przesiewowych noworodków. W załącznikach znalazły się przykładowe wyniki analiz cytogenetycznych i sprawozdania z analizy DNA. Właściwa interpretacja uzyskanych wyników nabiera znaczenia szczególnie w przypadkach diagnostyki, w której wykorzystano wysoko przepustowe metody sekwencjonowania DNA.

W tym wydaniu zachowaliśmy wiele informacji ­opisujących metody analizy molekularnej czy strategie diagnostyczne, które z punktu widzenia stosowanej obecnie praktyki straciły na znaczeniu. Wydaje się jednak, że zapoznanie się z nimi jest niezbędne dla prawidłowego sposobu rozumowania genetycznego również na płaszczyźnie molekularnej.

* * *

Tradycyjnie, jak i w innych dziedzinach życia, kwestia legislacji badań genetycznych pozostaje w Polsce w tyle za Europą. Sprzyja to niepopartej profesjonalnym przygotowaniem aktywności, często ze szkodą dla zainteresowanych genetyka medyczną. Mimo upływu ponad 20 lat od podpisania przez Rząd RP Konwencji o ochronie praw człowieka i godności istoty ludzkiej wobec zastosowań biologii i medycyny, nie została ona ratyfikowana przez sejm. Nie ratyfikowano też protokołu dodatkowego o testach genetycznych dla celów zdrowotnych. Przykładem braku regulacji prawnych, ale też wyobraźni i wiedzy, jest kwestia gromadzenia i przechowywania danych genetycznych. Wraz z rozwojem metod analizy kwasów nukleinowych i poznawania genomu człowieka nabrała ona swoistej wagi i znaczenia zarówno z punktu widzenia osobniczego, jak i danych populacyjnych. Niestety, jak wspomniano, nie ma stosownego prawodawstwa.

W Polsce nie udało się też wypracować systemu „opieki genetycznej” na poziomie pacjent–lekarz i na poziomie krajowym. Nie ma np. struktury (krajowej bądź regionalnej) koordynującej badania, diagnostykę, profilaktykę i leczenie chorób genetycznie uwarunkowanych, bazującej na ośrodkach referencyjnych w zakresie genetyki człowieka.

* * *

Spośród pozycji wydawniczych warte polecenia są:

– z zakresu genetyki klinicznej

M.J. Bamshad, J.C. Carey, J.B. Lynn, Genetyka medyczna, red. nauk. B. Edra Urban & Partner, Wrocław 2019,

Genetycznie uwarunkowane zaburzenia rozwoju u dzieci, red. R. Śmigiel, K. Szczałuba, PZWL, Warszawa 2021,

M.J. Bamshad, J.C. Carey, J.B. Lynn, Genetyka medyczna, red. wyd. polskiego M. Borowiec, Edra Urban & Partner, Wrocław 2021,

– z zakresu genetyki i genetyki molekularnej

T. Brown, Genomy, przekład pod red. P. Węgleńskiego, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2019,

S. Mukherjee, Gen. Ukryta historia, Wydawnictwo Czarne,
Wołowiec 2017,

– z zakresu popularyzacji nauki

W. Isaacson, Kod życia. Jennifer Doudna, edycja genów i przyszłość ludzkości, Wydawnictwo Insignis, Kraków 2023,

– wznowienia podręczników

P. Łuków, T. Pasierski, Etyka medyczna z elementami filozofii, PZWL, Warszawa 2022,

Bioetyka, red. nauk. W. Chańska, J. Różyńska, Wolters Kluwer Polska, Warszawa 2013.

Jerzy BalPRZEDMOWA DO WYDANIA CZWARTEGO

Przedstawiamy książkę Genetyka molekularna i medyczna. Jest ona w prostej linii kontynuacją trzech kolejnych (poczynając od 2001 r.) wydań podręcznika Biologia molekularna w medycynie. Elementy genetyki klinicznej. Tak jak poprzednio, cel, jaki przed sobą stawiamy, to prezentacja współczesnej wiedzy z zakresu genetyki człowieka oraz osiągnięć i zastosowań metod biologii molekularnej w różnych działach medycyny. Jesteśmy też przekonani, że pełnemu zrozumieniu zmian, jakie dokonują się w medycynie, powinna towarzyszyć informacja z zakresu podstaw genetyki i praw rządzących przekazywaniem i ekspresją cech. Odzwierciedla to układ i zawartość książki.

Lata upływające od poprzedniego wydania naznaczone są przez kolejne kroki milowe w genetyce człowieka. Odkrycia antropologów w połączeniu z nowymi metodami analizy DNA dostarczają nowych danych o ewolucji człowieka, w tym o bagażu, jaki gromadził się w genomie na drodze zasiedlania przez naszych przodków kolejnych kontynentów. C. Venter i C. Hutchison zredukowali życie swobodnie żyjącego organizmu do 473 genów. Technologia CRISPR/Cas9 wydaje się być aplikacją na miarę przełomu, jaki w genetyce molekularnej dokonał się w latach 70/80 ubiegłego wieku za sprawą enzymów restrykcyjnych. Precyzyjne redagowanie genomu urealnia bowiem nadzieje, jakie wiążą się z terapią genową. Zadziwiająco szybko adaptowana do diagnostyki genetycznej metoda sekwencjonowania następnej generacji w wielu przypadkach osiągnęła status badania rutynowego. To kwestia krótkiego czasu, aby metoda ta stała się badaniem z wyboru również w przesiewie noworodkowym czy w farmakogenetyce. Nowe technologie analizy kwasów nukleinowych unaoczniają jednocześnie wyzwania, jakie stoją przed genetyką. Liczba danych otrzymywanych po analizie fragmentu DNA sekwencjonowanego metodą Sangera wzrosła ekspotencjalnie spośród tysięcy lub milionów bajtów poprzez dziesiątek milionów dla mikromacierzy do dziesiątek miliardów w sekwencjonowaniu następnej generacji.

Zmiany w obecnym wydaniu obejmują nie tylko uaktualnienia przekazanych wcześniej informacji. Nowym rozdziałem jest Epigenetyka. Problematyka ta była obecna i w poprzednich wydaniach, ale jej znaczenie dla zrozumienia mechanizmów modyfikacji informacji genetycznej niewątpliwie uzasadnia nowe rozłożenie akcentów. Szerzej nakreślono również spektrum możliwości, jakie przynosi nieinwazyjna molekularna diagnostyka prenatalna. Więcej miejsca niż do tej pory poświęcamy takim zagadnieniom, jak bioinformatyka. W warsztacie genetyka sprawność w wykorzystywaniu dostępnych w internecie danych czy komputerowa analiza sekwencji nukleotydów w DNA już nie wystarcza. Znaczenia nabiera umiejętność stawiania stosownych pytań, jak i zdolność interpretacji wyników analizy eksomu czy genomu pacjenta. Nowym, niewątpliwe brakującym do tej pory, jest rozdział poświęcony epidemiologii chorób dziedzicznych.

Społeczne oddziaływania i odbiór genetyki są bliskie środowisku genetyków człowieka. To bardzo pragmatyczne podejście. Efekty naszych działań będą bowiem tym większe, im większa będzie dla nich akceptacja i zrozumienie. W tym kontekście warto pytać o zasady i reguły towarzyszące genetyce medycznej. Taką też funkcję ma spełniać konsekwentnie uwspółcześniany rozdział poświęcony aspektom prawnym współczesnej genetyki.

Last but not least w rozdziale Słabość i siła genocentrycznej wizji biologii znajdzie czytelnik rozważania, czy, a jeżeli tak, to w jakim stopniu, koncepcja genu wpisuje się w rozwój nauki.

* * *

Nową pozycją wydawniczą wartą polecenia jest Genetyka medyczna E.S. Tobias, M. Connor, M. Ferguson-Smith. Redakcja naukowa A. Latos-Bieleńska. PZWL Warszawa 2014. Szereg informacji z zakresu genetyki klinicznej znajdzie czytelnik również w podręczniku Genetyka medyczna. Redakcja G. Drewa, T. Ferenc. Elsevier Urban & Partner. Wrocław 2011.

Jerzy BalAUTORZY

Prof. dr hab. Jerzy Bal

Kieruje Zakładem Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie. Zajmuje się badaniami i diagnostyką molekularną chorób dziedzicznych.

Prof. dr hab. Ewa Bartnik

Wieloletnia pracowniczka Instytutu Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. W ramach zainteresowań genetyką człowieka specjalizuje się w chorobach powodowanych defektem mitochondrialnego DNA.

Mgr Marta Biedrzycka

Pracuje w Zakładzie Mikrobiologii Molekularnej Naro­dowego Instytutu Leków w Warszawie. Zajmuje się epidemiologią molekularną i genomiczną wieloopornych bakterii z rodziny Enterobacterales.

Prof. dr hab. Ewa Bocian

Wieloletnia pracowniczka Zakładu Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie, którym kierowała w latach 2011–2013. Specjalizowała się w badaniach aberracji chromosomowych oraz w nowoczesnej diagnostyce cytogenetycznej i molekularnej chorób genetycznych.

Prof. dr hab. Leszek Bosek

Profesor na Wydziale Prawa i Administracji Uniwersytetu Warszawskiego. Kierownik Centrum Prawa Medycznego i Biotechnologii Uniwersytetu Warszawskiego, sędzia Sądu Najwyższego, w latach 2006–2018 radca, a następnie dyrektor i Prezes Prokuratorii Generalnej Rzeczypospolitej Polskiej; współautor i współredaktor sześciotomowej serii System Prawa Medycznego, ukazującej się od 2017 r., oraz publikacji Konstytucja Rzeczypospolitej Polskiej. Komentarz, t. 1–2, Warszawa 2016 (współredaktor prof. M. Safjan).

Prof. dr hab. Ewa Brojer

Wieloletnia pracowniczka i Kierowniczka Zakładu Immunologii Hematologicznej i Transfuzjologiczej Instytutu Hematologii i Transfuzjologii w Warszawie. Jej zainteresowania koncentrują się wokół zagadnień alloimmunizacji antygenami komórek krwi oraz molekularnych badań przeglądowych wirusów u dawców krwi.

Dr hab. n. med. Agnieszka Charzewska

Pracuje naukowo w Zakładzie Genetyki Medycznej Insty­tutu Matki i Dziecka w Warszawie, zajmuje się badaniem podłoża molekularnego i diagnostyką genetycznie uwarunkowanych chorób neurologicznych.

Dr Barbara Czartoryska

Specjalistka w zakresie badań biochemicznych i diagnostyki chorób lizosomalnych. Pracowała w Zakładzie Genetyki Instytutu Psychiatrii i Neurologii w Warszawie.

Dr Patrycja Daca-Roszak

Pracuje w Instytucie Genetyki Człowieka PAN (IGC PAN) w Poznaniu. Specjalizuje się w zagadnieniach genetyki populacyjnej pod kątem kryminalistyki i ewolucji człowieka.

Prof. dr hab. n. farm. Władysława A. Daniel

Kieruje Zakładem Farmakokinetyki i Metabolizmu Leków Instytutu Farmakologii PAN w Krakowie. Specjalizuje się w farmakokinetyce i metabolizmie leków działających na ośrodkowy układ nerwowy oraz prowadzi badania nad fizjologicznym i farmakologicznym znaczeniem wątrobowego i mózgowego cytochromu P450.

Dr Paula Dobosz

Pracuje w Instytucie Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Specjalizuje się w immunoterapii i genetyce onkologicznej.

Prof. dr hab. Józef Dulak

Kierownik Zakładu Biotechnologii Medycznej Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Prowadzi badania nad mechanizmami molekularnymi chorób sercowo-naczyniowych i genetycznych chorób mięśni i układu nerwowego, w tym funkcji komórek macierzystych, i możliwościami terapii genowej. Zajmuje się zagadnieniami bioetycznymi i społeczną rolą nauki.

Dr Janusz Fiett

W Zakładzie Mikrobiologii Molekularnej Narodowego Instytutu Leków w Warszawie zajmował się epidemiologią molekularną zakażeń bakteryjnych oraz metodami typowania bakterii opartymi na analizie DNA.

Prof. Alain Fischer

Profesor na Uniwersytecie im. Kartezjusza (Paryż V). Członek Francuskiej Akademii Nauk. Specjalista w zakresie diagnostyki i leczenia pierwotnych niedoborów odporności.

Dr hab. Tomasz Gambin, prof. PW

Pracuje w Instytucie Informatyki na Politechnice War­szawskiej oraz w Zakładzie Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie. Zajmuje się rozwijaniem narzędzi bioinformatycznych wykorzystywanych w badaniach i diagnostyce molekularnej.

Prof. dr hab. Marek Gniadkowski

Kierownik Zakładu Mikrobiologii Molekularnej Narodowego Instytutu Leków w Warszawie. Specjalizuje się w epidemiologii molekularnej zakażeń bakteryjnych.

Dr hab. n. med. Monika Gos, prof. IMiD

Kierowniczka Pracowni Genetyki Rozwoju Zakładu Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie, diagnosta laboratoryjna, specjalistka z laboratoryjnej genetyki medycznej, certyfikowana przez European Board of Medical Geneticists; zajmuje się badaniami i diagnostyką molekularną chorób genetycznie uwarunkowanych, w tym zespołów dysmorficznych, chorób związanych z defektem piętnowania genomowego i chorób nerwowo-mięśniowych; jest odpowiedzialna za stronę genetyczną przesiewu noworodków w kierunku SMA.

Dr hab. n. med. Piotr Grabarczyk

Kierownik Zakładu Wirusologii Instytutu Hematologii i Transfuzjologii w Warszawie. Zajmuje się zapobieganiem przenoszenia czynników zakaźnych przez przetoczenia krwi, jej składników i produktów krwiopochodnych oraz diagnostyką i monitorowaniem tej grupy zakażeń u pacjentów, zwłaszcza z deficytami odporności.

Dr Katarzyna Guz

Kierowniczka Pracowni Genetyki Komórek Krwi i Chimeryzmu Zakładu Immunologii Hematologicznej i Transfuzjologiczej Instytutu Hematologii i Transfuzjologii w Warszawie. Specjalizuje się w badaniach molekularnych antygenów erytrocytów, płytek krwi i granulocytów oraz w nieinwazyjnej diagnostyce prenatalnej konfliktów matczyno-płodowych.

Prof. dr hab. Tomasz Grzybowski

Kieruje Katedrą Medycyny Sądowej Collegium Medicum w Bydgoszczy Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Specjalizuje się w badaniach genetyczno-sądowych, populacyjnych i filogeograficznych.

Dr hab. n. med. Dorota Hoffman-Zacharska, prof. IMiD, prof. ucz. UW

Pracuje w Zakładzie Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie, gdzie kieruje Pracownią Neurogenetyki; diagnosta laboratoryjna ze specjalizacją w zakresie laboratoryjnej genetyki medycznej oraz pracownik naukowo-dydaktyczny Instytutu Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego.
W pracy naukowej zajmuje się badaniem podłoża molekularnego genetycznie uwarunkowanych chorób neurologicznych, w pracy dydaktycznej zagadnieniami genetyki medycznej.

Dr hab. Radosław Izdebski

Pracuje w Zakładzie Mikrobiologii Molekularnej Narodowego Instytutu Leków w Warszawie. Kurator bazy danych Klebsiella pneumoniae MLST Instytutu Pasteura w Paryżu. Zajmuje się epidemiologią molekularną zakażeń bakteryjnych, ze szczególnym uwzględnieniem metod typowania bakterii opartych na sekwencjonowaniu DNA.

Prof. dr hab. Andrzej Jerzmanowski

Wieloletni Kierownik Zakładu Biologii Systemów na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego i Zakładu Biosyntezy Białka w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie. Zajmuje się genetyką rozwoju i adaptacji organizmów do środowiska oraz ewolucją molekularną.

Dr Marta Jurek

Wieloletnia pracowniczka Zakładu Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka, diagnosta laboratoryjna. Zajmuje się badaniami podłoża molekularnego chorób dziedzicznych.

Dr hab. Małgorzata Kęsik-Brodacka, prof. NIL

Zastępczyni Dyrektora ds. Naukowych w Narodowym Instytucie Leków w Warszawie. Zajmuje się molekularną analizą antygenów do konstrukcji szczepionek nowej generacji oraz wykorzystywaniem mikrobiologicznych systemów ekspresyjnych do produkcji biofarmaceutyków.

Prof. dr hab. med. Anna Latos-Bieleńska

Kierowniczka Katedry i Zakładu Genetyki Medycznej Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu. Zajmuje się epidemiologią i etiologią wad wrodzonych i rzadkich chorób genetycznych.

Dr hab. med. Beata Lipska-Ziętkiewicz, prof. GUMed

Kierowniczka Poradni Genetycznej Uniwersyteckiego Centrum Klinicznego w Gdańsku. Specjalizuje się w genetyce klinicznej i poradnictwie genetycznym chorób dziedzicznych, zwłaszcza chorób nerek.

Dr Barbara Lisowska-Grospierre

Wieloletnia dyrektorka badań naukowych francuskiego Instytutu Badań Medycznych. W Laboratorium INSERM U429 w Szpitalu Neckera w Paryżu zajmowała się genetyką molekularną pierwotnych niedoborów odporności.

Prof. dr hab. Agnieszka Łoboda

Pracuje w Zakładzie Biotechnologii Medycznej Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Interesuje się biologią komórek macierzystych, zastosowaniem terapii genowych i komórkowych oraz molekularnymi mechanizmami chorób genetycznych, np. dystrofii mięśniowej Duchenne’a.

Prof. dr hab. med. Tadeusz Mazurczak

Współorganizator i wieloletni kierownik Zakładu Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie. Specjalista genetyki klinicznej i pediatrii. Szczególnymi obszarami jego zainteresowań są diagnostyka kliniczna i poradnictwo genetyczne.

Dr hab. Michał Milewski, prof. IMiD

Pracuje w Zakładzie Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie. Zajmuje się molekularną patofizjologią chorób dziedzicznych oraz zastosowaniem analizy DNA do badań genealogicznych.

Prof. dr hab. n. med. Jacek Nowak

Kieruje Zakładem Immunogenetyki Instytutu Hematologii i Transfuzjologii w Warszawie. Specjalizuje się w ­badaniach antygenów zgodności tkankowej, HLA i KIR oraz w immunogenetycznym doborze par biorca–dawca przeszczepu szpiku. Zajmuje się również badaniem związku genów z predyspozycją i przebiegiem chorób nowotworowych oraz genetycznymi badaniami populacyjnymi.

Dr hab. n. med. Beata Nowakowska, prof. IMiD

Pracuje w Zakładzie Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie. Kieruje Zespołem Pracowni Cytogenetycznych. Specjalizuje się w cytogenetyce klasycznej i molekularnej.

Dr Mariusz Ołtarzewski

Kierownik Zakładu Badań Przesiewowych i Diagnostyki Metabolicznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie. ­Zajmuje się diagnostyką chorób wrodzonych u noworodków. Koordynator badań przesiewowych noworodków w Polsce.

Dr Agnieszka Orzińska

Pracuje w Zakładzie Immunologii Hematologicznej i Transfuzjologicznej Instytutu Hematologii i Transfuzjologii w Warszawie. Specjalizuje się w badaniach antygenów komórek krwi oraz w nieinwazyjnej diagnostyce prenatalnej.

Dr Norman Jan Pieniążek

Wieloletni pracownik i kierownik Laboratorium Referencyjnej Diagnostyki Molekularnej Narodowego Centrum Chorób Infekcyjnych, Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom w Atlancie. Specjalizuje się w diagnostyce molekularnej chorób pasożytniczych.

Prof. dr hab. med. Jacek Józef Pietrzyk

Wieloletni Kierownik Zakładu Genetyki Medycznej i Katedry Pediatrii, Instytutu Pediatrii Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Specjalista z pediatrii i genetyki klinicznej. Szczególnymi obszarami jego zainteresowań są poradnictwo genetyczne i badanie chorób kompleksowych.

Prof. dr hab. Tomasz Pniewski

Pracuje w Instytucie Genetyki Roślin PAN w Poznaniu. Przedmiotem jego zainteresowań i pracy badawczej jest zastosowanie roślinnych systemów ekspresyjnych do produkcji biofarmaceutyków.

Dr n. med. Urszula Rogalla-Ładniak

Pracuje w Katedrze Medycyny Sądowej Collegium Medicum w Bydgoszczy Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Zajmuje się genetycznymi badaniami pokrewieństwa i pochodzenia biogeograficznego, a także analizą markerów haploidalnych.

Dr Sylwia Rzońca-Niewczas

Pracuje w Zakładzie Genetyki Medycznej Instytutu Matki i Dziecka w Warszawie. Zajmuje się badaniami i diagnostyką molekularną chorób dziedzicznych. Specjalizuje się w genetyce molekularnej niepełnosprawności intelektualnej.

Prof. dr hab. Marek Safjan

W pracy naukowej w Instytucie Prawa Cywilnego Uniwersytetu Warszawskiego zajmował się prawem cywilnym i medycznym. Prezes Trybunału Konstytucyjnego w latach 1998–2006. Obecnie sędzia Europejskiego Trybunału Sprawiedliwości.

Prof. dr hab. med. Maria Sąsiadek

Kieruje Katedrą i Zakładem Genetyki Uniwersytetu Medycznego oraz Poradnią Genetyczną Fundacji Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu. Jej głównym obecnie obszarem zainteresowań jest genetyka nowotworów.

Dr hab. Elżbieta Sarnowska

Kieruje Zakładem Immunoterapii Eksperymentalnej w Narodowym Instytucie Onkologii im. Marii Skłodowskiej-Curie – Państwowym Instytucie Badawczym w Warszawie. Specjalizuje się w biologii molekularnej nowotworów, a obecnie jej obszar zainteresowań i pracy to immunologia nowotworów i immunoterapia eksperymentalna.

Prof. dr hab. n. farm. Małgorzata Schlegel-Zawadzka

Swoje zainteresowania związane z aspektami żywieniowymi osób zdrowych i chorych realizowała w Wydziale Nauk o Zdrowiu Collegium Medicum UJ. Interesuje się aspektami kulturowymi odżywiania i jego wpływu na nasz stan zdrowia.

Prof. dr hab. Janusz A. Siedlecki

Wieloletni Kierownik Zakładu Onkologii Molekularnej i Translacyjnej w Narodowym Instytucie Onkologii im. Marii Skłodowskiej-Curie – Państwowym Instytucie Badawczym. Specjalizuje się w poszukiwaniu nowych markerów molekularnych i ich wdrażaniu do diagnostyki molekularnej chorób nowotworowych.

Dr hab. Paweł Siedlecki

Prowadzi samodzielną pracownię Cheminformatyki i Modelowania Molekularnego w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN w Warszawie. Jest autorem publikacji z zakresu bioinformatyki, projektowania leków oraz uczenia maszynowego. Wykładał m.in. na Uniwersytecie Warszawskim, Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu oraz University of Manchester.

Prof. dr hab. Katarzyna Tońska

Pracuje w Instytucie Genetyki i Biotechnologii Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego. Zajmuje się podłożem molekularnym i epidemiologią chorób mitochondrialnych oraz zmiennością mitochondrialnego DNA.

Prof. dr hab. med. Anna Tylki-Szymańska

Pracuje w Klinice Pediatrii Żywienia i Chorób Metabolicznych Instytutu „Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka” w Warszawie. Zajmuje się diagnostyką i leczeniem osób z chorobami metabolicznymi.

Dr Paweł Urbanowicz

Pracuje w Zakładzie Mikrobiologii Molekularnej Narodowego Instytutu Leków w Warszawie. Zajmuje się epidemiologią zakażeń szpitalnych z zastosowaniem metod molekularnych i genomicznych.

Dr Joanna Wiszniewska

Specjalistka z zakresu patologii i diagnostyki molekularnej chorób genetycznych w Oregon Health and Sciences University w Portland, USA.

Dr hab. Wojciech Wiszniewski, prof. IMiD

Pracuje w Zakładzie Genetyki Molekularnej i Medycznej, Oregon Health and Sciences University w Portland, USA. Jego zainteresowania badawcze obejmują różne aspekty genetyki klinicznej i diagnostyki molekularnej.

Prof. dr hab. Ewa Ziętkiewicz

Pracuje w Instytucie Genetyki Człowieka PAN w Poznaniu. Specjalizuje się w zagadnieniach genetyki populacyjnej, epidemiologii genetycznej chorób rzadkich i molekularnych mechanizmach ewolucji Homo sapiens.1 ZAKRES ZASTOSOWAŃ DIAGNOSTYKI MOLEKULARNEJ W MEDYCYNIE JERZY BAL, TADEUSZ MAZURCZAK

Poznanie informacji genetycznej człowieka (sekwencji nukleotydowej całego genomu) radykalnie zmienia spojrzenie na medycynę. Przypominając Anatomię człowieka Andreasa Vaseliusa z 1543 r., która odegrała ważną rolę w rozwoju medycyny, McKusick proponował dla badania struktury i zmian w genomie wprowadzenie określenia „anatomia genomu”. Konsekwentnie porównywanie genomów to „anatomia porównawcza i rozwojowa”, badanie ekspresji genów to „anatomia czynnościowa i patologiczna”. Nie przesądzając o trafności proponowanej terminologii, należy stwierdzić, że nie ulega wątpliwości, iż współczesna medycyna jest postrzegana jako molekularna. Wcześniejsze i dokładniejsze rozpoznawanie chorób, postęp w leczeniu, nowe możliwości rokowania rozwoju choroby i profilaktyka to praktyka współczesnej medycyny.

Klasyczne badania cytogenetyczne są z powodzeniem wykonywane w laboratoriach diagnostycznych od początku lat sześćdziesiątych XX wieku. Przełomowi lat siedemdziesiątych i osiemdziesiątych zeszłego stulecia towarzyszyło stopniowe wprowadzenie technik analizy DNA. Formalne zakończenie, na początku XXI wieku, programu sekwencjonowania genomu człowieka zaowocowało skokowym wzrostem wiedzy o nim, jak też pokonywaniem kolejnych barier metodycznych oraz istotnym przyspieszeniem badań nad wykorzystaniem metod biologii molekularnej w diagnostyce medycznej. Dzięki nowym technologiom zarówno badania, jak i diagnostyka molekularna ulegają kolejnym przeobrażeniom. Wprowadzenie mikromacierzy umożliwiło nie tylko zwiększenie liczby analiz, lecz także, jak w przypadku porównawczej hybrydyzacji genomowej, identyfikację delecji czy duplikacji o wielkości nawet kilku kpz, co w klasycznej cytogenetyce było nieosiągalne. W jednym eksperymencie w wysokoprzepustowym sekwencjonowaniu DNA można obecnie identyfikować markery w całym genomie czy analizować ekspresję równocześnie setek genów. W tych jednak przypadkach wydaje się, że ilość uzyskiwanych informacji jeszcze znacznie przewyższa możliwości ich wykorzystania, zarówno w świetle obróbki informatycznej, jak i wiedzy, którą obecnie dysponujemy.

Rozwój metod analizy genomu towarzyszący postępowi medycyny molekularnej powoduje, że coraz powszechniej znajdują one zastosowanie w diagnostyce rutynowej. W klasycznym badaniu cytogenetycznym oceniana jest morfologia chromosomów. Analiza molekularna – analiza kwasów nukleinowych – umożliwia badanie sekwencji nukleotydów cząsteczki DNA czy RNA. Nowe technologie powoli zacierają te różnice, a tradycyjny podział traci na aktualności.

Zwiększający się zakres badań molekularnych w medycynie łączył się jednak przede wszystkim z zaadaptowaniem do celów diagnostyki laboratoryjnej techniki PCR – enzymatycznego powielania fragmentów DNA. Dzięki temu uległy zwiększeniu czułość i specyficzność badań. Zaowocowało to, obok genetyki medycznej, licznymi zastosowaniami w analizie mikrośladów biologicznych, ale również w badaniu np. wymarłych gatunków zwierząt czy roślin. Obecność DNA wykryto metodą PCR np. w liczących około 135 milionów lat okazach owadów zatopionych w bursztynie czy liczących 5–7 tys. lat zmumifikowanych zwłokach faraonów. Znaczącym wynikiem tego typu badań, który zapewne na stałe znajdzie miejsce w historii genetyki człowieka, było wykazanie przyczyny śmierci dziecka, którego szczątki, liczące kilka tysięcy lat, odkopano w Izraelu. Wykazano, że prawdopodobną przyczyną śmierci była β-talasemia.

Wprowadzenie do diagnostyki medycznej techniki PCR uprościło procedury badawcze, umożliwiając ich automatyzację i wytworzenie wielu rodzajów ogólnie dostępnych testów. W znaczącym stopniu przyczyniło się również do poszerzenia zakresu zadań stawianych przed genetyką medyczną. W 1995 r. zidentyfikowano niespełna 60 genów, w tym ważne skądinąd geny, których defekty są odpowiedzialne za wystąpienie zespołu Aperta i zespołu Cruzona (receptor 2 czynnika wzrostu fibroblastów), zespołu Sanfillipo A, zespołu Blooma, zespołu Werdniga-Hoffmanna, raka sutka czy choroby Alzheimera (presenilina 1 i presenilina 2). W 2003 r. poinformowano o zsekwencjonowaniu całego genomu jądrowego człowieka i poznaniu jego wszystkich 25 tys. genów struktury. Można więc domniemywać, że mamy w rękach informacje o wszystkich chorobach genetycznie uwarunkowanych. Do poznania podłoża molekularnego znanych chorób genetycznie uwarunkowanych jednak jeszcze daleka droga. Zbadanie ekspresji poszczególnych genów i określenie związku między defektem w DNA a występowaniem zmian fenotypowych czy też odwrotnie wymaga wielu lat badań. Ponadto należy pamiętać, że ustalenie takich zależności jest stosunkowo łatwe w przypadku chorób dziedziczących się jako cecha monogenowa. Określenia współzależności dla chorób warunkowanych przez wiele genów, jak i rozwoju samej genetyki medycznej należy oczekiwać od nowych technologii i programów bioinformatycznych czy wręcz metod sztucznej inteligencji dopiero wkraczających do biologii.

Ciągle poszerza się zakres zastosowań biologii molekularnej w medycynie (tab. 1.1). Na szczególne podkreślenie zasługuje wzrastające znaczenie cytogenetyki i analizy molekularnej w onkologii. Zgromadzone wyniki umożliwiają wczesne rozpoznanie obecności komórek nowotworowych, określenie przebiegu choroby, a w wielu przypadkach wybranie rodzaju terapii, np. immunoterapii. Analiza molekularna genów zgodności tkankowej jest badaniem nieodłącznie związanym z transplantologią. Nowe metody badawcze umożliwiają też niezwykle precyzyjne prześledzenie pokrewieństwa wśród członków badanej rodziny w sytuacji czy to spornego ojcostwa, czy identyfikacji mikrośladów. Szczególną rolę i znaczenie metody biologii molekularnej odgrywają w diagnostyce chorób infekcyjnych, inwazyjnych i pasożytniczych. W tym przypadku wyjątkowo duży postęp dokonał się w diagnostyce wolno rosnących lub trudnych do hodowli patogenów. Dzięki możliwości analizy bakteryjnego rybosomowego RNA (rRNA) czułość stosowanych technik zwiększyła się przeszło 1000 razy. Dostępne handlowo zestawy diagnostyczne umożliwiają identyfikację określonych patogenów (np. Mycoplasma pneumoniae) w materiale biologicznym, przy czym badanie trwa około 2 godziny.

Tabela 1.1. Zakres zastosowań badań i diagnostyki molekularnej w medycynie

-------------------------------------------------------------------------- ----------------------- --------------------------------
Specjalności Zastosowanie

Zasadniczo wszystkie specjalności medyczne ze szczególnym uwzględnieniem • genetyki klinicznej • diagnostyka

• onkologii • patologia molekularna

• wirusologii • badania przesiewowe

• bakteriologii • badania prognostyczne

• farmakogenetyki • monitorowanie terapii

• nutrigenetyki • immunoterapia

• transplantologii • terapia genowa

• epidemiologii • ustalanie pokrewieństwa

• medycyny sądowej • badanie śladów biologicznych

Biotechnologia • biofarmaceutyki

• szczepionki
-------------------------------------------------------------------------- ----------------------- --------------------------------

Identyfikacja genów, których defekty są odpowiedzialne za choroby uwarunkowane genetycznie, oraz ­rozwój metod analizy kwasów nukleinowych stanowią również podstawę do wprowadzania nowych typów leczenia w medycynie. Wynikom pierwszych prób klinicznych terapii genowej wybranych chorób dziedzicznych i nowotworowych towarzyszy ostrożny optymizm. Nowym impulsem stało się wykorzystanie w eksperymentalnej terapii genowej systemu redagowania DNA. U pacjentów z amyloidazą wrodzoną patologia molekularna jest związana z nadekspresją genu TTR. Przy zastosowaniu metody CRISPR/Cas9 udało się skutecznie zablokować wadliwą postać genu, co skutkowało obniżeniem poziomu defektywnego białka. Innym przykładem jest terapia wrodzonej ślepoty Lebera (LCA) powodowanej mutacją genu CEP290. Podając zmodfikowany RNA i przy zastosowaniu metody CRISPR/Cas9, osiągnięto zwiększoną prawidłową ekspresję genu CEP290, co przełożyło się na poprawę widzenia u pacjentów poddanych tej terapii.

Nadzieje pokładane zarówno przez badaczy, jak i chorych w nowych koncepcjach leczenia były i nadal są ogromne. Jest to tym bardziej zrozumiałe, że dotychczas stosowane metody terapii charakteryzowały się brakiem skuteczności lub małą skutecznością wobec większości chorób genetycznych. Niezależnie od mnogości problemów natury biologicznej i metodycznej, które trzeba jeszcze wyjaśnić i rozwiązać, wydaje się, że w ciągu najbliższych lat terapia genowa stanie się metodą wybieraną w leczeniu wielu chorób dziedzicznych, nowotworowych oraz pewnych chorób infekcyjnych. Choć dopiero puka ona do drzwi medycyny, nie oznacza to jednak, że jesteśmy całkowicie bezradni w leczeniu chorób dziedzicznych. W tzw. chorobach metabolicznych suplementacja enzymatyczna, mimo olbrzymich jednostkowych kosztów, jest prowadzona również w Polsce.

Wraz z poszerzaniem naszej wiedzy i rozwojem narzędzi analizy genomu uczestniczymy w zmianie priorytetów, jakimi kieruje się genetyka medyczna. Obserwujemy zwiększone zainteresowanie genetycznie uwarunkowanymi chorobami cywilizacyjnymi, a wraz z tym indywidualizację medycyny. Często w odniesieniu do badań genetycznych stosuje się określenia „medycyna spersonalizowana” czy „medycyna precyzyjna”. Określenia te odnoszą się nie tylko do genetyki medycznej, lecz także – pozostając w tematyce chorób genetycznie uwarunkowanych – są postrzegane jako doskonalsza diagnostyka, identyfikacja wariantów genomowych zwiększonego ryzyka wystąpienia danej choroby i/lub odpowiedzi na lek, a także identyfikacja biomarkerów wyznaczających celowane metody terapii.

Z roku na rok przybywa przykładów celowanych metod leczenia. Od kilku lat stosowane są leki w kierunku określonych mutacji w genie CFTR zwiększające komfort życia chorych na mukowiscydozę. Nieprawidłowy podział i rozrost komórek leżą u podstaw wielu chorób nowotworowych. Często odpowiadają za to mutacje w genie EGFR kodującym receptorowy naskórkowy czynnik wzrostu. Znane jest wiele inhibitorów kinazy tyrozynowej, takich jak inhibitory czy przeciwciała monoklonalne, ale także leków kierowanych przeciwko konkretnym mutacjom w genie EGFR.

Diagnostyka genetyczna będzie obejmować identyfikację osób o zwiększonej predyspozycji do zachorowania na wiele typów nowotworów, w tym raka sutka, raka gruczołu krokowego czy czerniaka. Wykrywane są mutacje czy markery w specyficznych genach określające podatność na wystąpienie chorób cywilizacyjnych, takich jak nadciśnienie, cukrzyca czy choroby psychiczne.

Badanie osobniczych predyspozycji genetycznych najlepiej ilustrują możliwości farmako- i nutrigenetyki. Farmakogenetyka zajmuje się genetycznie uwarunkowaną zmiennością reakcji organizmu na leki. Zmienność ta, odzwierciedlając zróżnicowanie populacyjne, może mieć charakter nieoczekiwany, niepożądany, a czasami wręcz zagrażający życiu. Możliwość identyfikacji metodami molekularnymi genotypów warunkujących tego rodzaju reakcje jest już wykorzystywana w medycynie do optymalizacji farmakoterapii. Zmienność osobnicza na stopień tolerancji na składniki pokarmowe leży u podstaw nutrigenetyki. Ta stosunkowo nowa dziedzina nauki o człowieku koncentruje się na badaniu uwarunkowanej genetycznie różnorodnej tolerancji na składniki pokarmowe.

Praktycznym przejawem wykorzystania metod biologii molekularnej w rutynowej diagnostyce medycznej jest powszechny dostępnych do kilku tysięcy testów genetycznych, chociaż – jak się wydaje – metody analizy genomowej (mikromacierze, wysokoprzepustowe sekwencjonowanie DNA) zastąpią testy nakierowane na poszczególne mutacje czy określone choroby genetycznie uwarunkowane. Inaczej mówiąc, od testów genetycznych nacelowanych na pojedynczy gen przechodzimy do testów genomowych obejmujące jednoczesną analizę wielu genów. To niewątpliwie różnica ilościowa, ale warto podkreślić, że w obu metodach rozdzielczość jest notowana na poziomie jednego nukleotydu, choć w przypadku metod wieloprzepus­towych nowe spodziewane oprogramowanie powinno przynieść większą czułość analizy. Wprowadzenie do diagnostyki genetycznej metod genomowych w jeszcze większym stopniu niż dotychczas zacieśnia współpracę między biologiem molekularnym a genetykiem klinicznym. Bez niej określenie korelacji genotyp–fenotyp może nie być satysfakcjonujące dla procesu diagnostycznego.

Niewątpliwy postęp jest również obserwowany w badaniach prenatalnych dzięki wprowadzeniu analizy wolnego płodowego DNA. Analiza genetyczna nie ogranicza się, jak początkowo, jedynie do identyfikacji zmian o charakterze aberracji chromosomowych, a coraz częściej obejmuje również identyfikację mutacji punktowych w chorobach monogenowych.

Specyfiką badań naukowych z zakresu genetyki i genetyki molekularnej jest bezpośrednie przełożenie wyników badań na praktykę medyczną. Postawienie prawidłowego, zweryfikowanego molekularnie rozpoznania ma kluczowe znaczenie w postępowaniu terapeutycznym i leczeniu farmakologicznym pacjentów. Dzięki badaniom podstaw patologii chorób dziedzicznych stało się możliwe opracowanie optymalnych algorytmów diagnostycznych, co ma znaczenie zarówno dla poradnictwa genetycznego, jak i wspomnianych wcześniej terapii spersonalizowanej, a docelowo terapii genowej. W literaturze angielskojęzycznej często spotyka się skróty odpowiadające hasłom czy poruszanym tematom. Jak się wydaje skrót G2P (ang. genom to people) bardzo dobrze oddaje charakter badań genetycznych i ich przeznaczenie.

Choroby genetycznie uwarunkowane, choć nie należą do najczęściej występujących, charakteryzuje znaczące oddziaływanie społeczne, określające również status zaawansowania rozwojowego danego kraju. Osiągnięcia biologii molekularnej i możliwości manipulacji genetycznych rodzą jednak problemy społeczne, etyczne i prawne, które towarzyszą poznawaniu i „wglądowi” w ludzki DNA. Wiele wątpliwości reguluje kodeks lekarski. Ponieważ jednak w molekularną diagnostykę kliniczną zaangażowani są również specjaliści z dziedzin pozamedycznych, tworzone nowe normy prawne powinny rozwiązywać możliwie wszystkie niejasności istniejące na tym polu. Dotyczy to warunków i kryteriów kwalifikacji osób do badań molekularnych (warunek świadomej zgody) oraz sposobu przechowywania informacji i dostępności do danych uzyskanych w wyniku analizy DNA. Wydaje się, że poza określonymi prawnie wyjątkami tylko osobom najbardziej zainteresowanym, a więc chorym lub zagrożonym wystąpieniem schorzenia, powinno przysługiwać prawo do uzyskania informacji na ten temat. Ujawnienie ich szerszemu gronu może bowiem naruszać prawa jednostki lub grupy osób.

Wprowadzenie metod analizy molekularnej do diag­nos­tyki medycznej sprawia, że umiejętność „myślenia genetycznego” jest jednym z zasadniczych elementów edukacji współczesnego lekarza. Znajomość podstaw genetyki medycznej, w tym cytogenetyki i genetyki molekularnej, staje się niezbędna dla racjonalnego, odpowiadającego poziomowi współczesnej wiedzy i możliwościom, planowania badań diagnostycznych, właściwej interpretacji uzyskanych wyników oraz indywidualizacji leczenia.

Piśmiennictwo uzupełniające

1. Ashley E.A. (2016), Towards precision medicine, Nature Reviews Genetics 17, 507–522.
2. Domaradzki J. (2015), DNA jako kod kulturowy, Kultura Popularna 2(44), 44–68.
3. Strachan T., Read A.P. (2018), Human molecular genetics, wyd. 5, Garland Sciences, New York.
4. Mazurczak T. (red., 2003), Zastosowania biologii w medycynie a godność osoby ludzkiej. Aspekty etyczne i prawne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.PRZYPISY

Rozdział 1

Do końca 2022 r. było znanych blisko 8000 chorób genetycznie uwarunkowanych powiązanych z defektem określonego genu.

Rozdział 2

Pierwszym genomem, jaki w pełni zsekwencjonowano, był liczący 5386 pz chromosom bakteriofaga Φ X174 (1977 r.), kolejnym złożony z 48 502 pz genom bakteriofaga λ (1982 r.).

Sekwestracja – tu włączanie białek w strukturę agregatów tworzonych przez nieprawidłowo zwinięte białko.

Terminem RFLP powszechnie określa się również rodzaj analizy DNA, w której są wykorzystywane enzymy restrykcyjne.