Klucz do DNA - ebook

Spis treści

Jak działa jamniczek 3

Część A. Tradycyjne spojrzenie

Dział I: Trochę historii 6

1. Małpy Darwina 7

1.01. Tempo ewolucji 9

2. Groch Mendla 10

2.01. Żywność genetycznie modyfikowana 11

2.02. Konsekwencje spożywania grochu 12

3. Podwójna helisa 12

3.01. Era pipety i mikroskopu 13

3.02. Genetyczna strefa 51 13

4. Samolubny gen 15

5. Podsumowanie 16

Dział II: Podstawy kodu życia 18

1. Rozkręcanie podwójnej spirali 18

1.01. Zasady azotowe 18

1.01.01. Stałe wiązania 22

1.01.02. Budowa podwójnej helisy 24

1.02. Geny 30

1.02.01. Aminokwasy 31

1.02.02. Eksony i introny 37

1.03. Chromosomy 44

1.03.01. Budowa chromosomu 45

1.03.02. Kariotyp 48

1.04. Podsumowanie 54

2. Ograniczone spojrzenie 54

2.01. Enzymy restrykcyjne 55

2.02. Techniki badawcze 56

2.02.01. Metoda terminacji łańcucha Sangera 56

2.02.02. Metoda PCR 60

2.02.03. Technika mikromacierzy 61

2.03. Poznanie ludzkiego genomu 62

3. Zakręty ewolucji 66

3.01. Człowiek brzmi dumnie... 66

3.01.01. Mniej genów... 67

3.01.02. ... za to dłuższe 72

3.02. Quo vadis ewolucjo? 73

3.02.01. Genowe peregrynacje 75

3.02.02. Polowanie na pseudogeny 76

3.03. Niewielkie zmiany – duże skutki (analiza literowa) 78

3.04. Podsumowanie rozdziału: Zakręty ewolucji 81

Część B. Abecadło kodu życia

Dział I: Próba rozszyfrowania kodu 86

1. Czym jest nić DNA? 86

1.01. Niepełne porównania 87

1.02. Pomieszanie języków 90

1.02.01. Zdanie z wieloma niewiadomymi 90

1.02.02. Język 92

1.03. Kod 94

1.03.01. Pianola 95

2. Natura a matematyka 97

2.01. Matematyczne kształty natury 99

3. Czteroliterowy alfabet 103

3.01. Odrzucenie liter 104

3.02. Współczesna bajka 104

3.02.01. Złota wiadomość 105

3.02.02. Wiadomość SETI 106

3.03. Wszystkie stany 108

3.03.01. Gdzie zero, a gdzie jedynka? 109

3.03.02. Kod binarny kluczem do kodu genetycznego 110

Dział II: Język komputerowy 115

1. Komputer krzemowy 115

1.01. Języki programowania 118

1.02. Język maszynowy 119

1.03. Kod źródłowy 120

1.04. Logika królową nauk 121

1.04.01. Bramki logiczne 122

1.04.02. Algorytmy 127

1.05. Rozwój komputeryzacji 129

1.05.01. Generacje komputerów 129

1.06. Podsumowanie rozdziału: Komputer krzemowy 131

2. Podglądanie natury 133

2.01. Ściąganie z budulca 133

2.01.01. Pionierska droga Andelmana 133

2.01.02. Próby budowania komputera DNA 140

2.02. Ściąganie z idei 149

2.02.01. Gra w życie 149

2.02.02. Programowanie genetyczne 150

2.03. Podsumowanie rozdziału: Podglądanie natury 153

3. Informatyczny język DNA 156

3.01. Niewielkie zmiany – duże skutki: analiza cyfrowa 158

Część C. Organiczny komputer

Dział I: Know-how nici DNA 161

1. Nowe pojęcia 161

1.01. Organiczny komputer 161

1.02. Program życia 162

1.03. Dwoistość nici DNA 163

1.04. Genetyczne induktory 164

2. Elementy programu życia 167

2.01. Rozkazy 167

2.02. Łatki 168

2.03. Skoki 169

2.04. Procedury 169

2.05. Problemy z przejściem od materii do kodu 170

2.06. Podsumowanie 171

Dział II: Obróbka informatyczna 173

1. Procesy technologiczne w fabryce życia 173

1.01. Rybosomy 174

1.02. Transkrypcja 177

1.02.01. Etapy transkrypcji 179

1.03. Polimerazy 180

1.03.01. Polimeraza RNA I 180

1.03.02. Polimeraza RNA II 181

1.03.03. Polimeraza RNA III 182

1.04. RNA 182

1.04.01. Rybosomowy RNA 183

1.04.02. Transportowy RNA 184

1.04.03. Informacyjny RNA 187

1.05. Dojrzewanie mRNA 187

1.05.01. Zabezpieczenie pre-mRNA 188

1.05.02. Proces składania 190

1.05.03. Cięcie 191

1.05.04. Redagowanie 191

1.06. Translacja 191

1.06.01. Inicjacja 192

1.06.02. Elongacja 193

1.06.03. Terminacja 193

1.07. Podsumowanie 194

2. Eksony i introny – powrót 195

2.01. Relikt czy novum ewolucji? 197

2.02. Rodzaje intronów 199

2.02.01. Somowycinające się introny 199

2.02.02. Introny GU-AG oraz AU-AC 200

2.03. Czynniki transkrypcyjne 202

2.04. Wzmacniacze oraz wyciszacze transkrypcji 203

2.05. Nowe pojęcie genu 206

2.06. Podsumowanie 207

3. Procesy posttranskrypcyjne 208

3.01. Splicing 210

3.02. Metody alternatywnego montażu 212

3.03. Skrzydła muchy, które wstrząsnęły genetyką 213

3.03.01. Etap 1 – gen Sxl 214

3.03.02. Etap 2 – gen Tra 215

3.03.03. Etap 3 – gen Dsx 216

Dział III: Wsparcie programowe 218

1. Niekodujące RNA 218

1.01. Bogactwo RNA 219

1.01.01. siRNA 221

1.01.02. miRNA 221

1.01.03. scRNA 221

1.01.04. snoRNA 222

1.02. Białe petunia i interferencja RNA 222

1.03. Przełączniki RNA 224

1.03.01. W teorii 224

1.03.02. W praktyce 225

1.04. Podsumowanie 226

2. Śmieciowe DNA 227

2.01. Czy warto grzebać w śmietniku? 228

2.02. Skarby wśród śmieci 230

2.02.01. Geny i sekwencje związane z genami 234

2.02.02. Pozagenowe DNA 239

2.02.03. Retrotranspozony RNA 245

2.03. Podsumowanie rozdziału: Śmieciowe DNA 262

3. Programy sterujące 265

3.01. Modyfikacje chromatyny 266

3.01.01. Nukleosomy 266

3.01.02. Euchromatyna oraz heterochromatyna 266

3.01.03. Kod histonów 267

3.02. Modyfikacje DNA 268

3.02.01. Piętno rodzicielskie 269

3.02.02. Inaktywacja chromosomu X 271

3.02.03. Ekspresja genów 271

3.03. Podsumowanie: Programy sterujące 273

Dział IV: Uczący się gen 275

1. Nauka przez wymianę informacji 276

1.01. Czy to naprawdę przypadkowy montaż 276

1.01.01. Zrobię to sam (mitoza) 277

1.01.02. Lepiej we dwoje (mejoza) 278

1.02. Crossing-over 280

1.02.01. Proces podziału w mejozie I: crossing-over 280

1.02.02. Proces podziału w mejozie II: segregacja 281

1.03. Podsumowanie rozdziału: Nauka przez wymianę informacji 283

2. Nauka metodą prób i błędów 287

2.01. Przyczyny mutacji 287

2.01.01. Błędy kopiowania nici DNA 287

2.01.02. Błędy środowiskowe 288

2.02. Mutacje nukleotydów 288

2.02.01. Mutacje w eksonach a intronach 289

2.02.02. Mutacje w kodonach 290

2.03. Mutacje genów 293

2.04. Mutacje chromosomów 294

2.05. Przypadkowe zmiany czy nauka? 295

2.05.01. Hipermutacje 295

2.05.02. Mutacje programowane 296

2.06. Podsumowanie 297

3. Nauka przez doświadczenie 300

3.01. Genetyczne zagadki 300

3.02. Epigenetyka 301

3.03. Podsumowanie: Nauka przez doświadczenie 304

4. Samolubny czy uczący się gen 306

4.03.01. Samolubny gen 307

4.03.02. Uczący się gen 309

Dział V: Nasz organiczny komputer 312

1. Spojrzenie innych 314

2. Jak wykorzystać moją hipotezę 317Zamiast wstępu

Jak działa jamniczek

Na początek chciałbym wyjaśnić jedną sprawę. Nie jest moim celem opisanie chemiczno-fizycznych aspektów skręconej w podwójnej spirali nici nukleotydów.

Genetyka molekularna coraz dokładniej opisuje formy przestrzenne tworzone przez łańcuch nukleotydów w czasie różnych etapów odczytywania kodu życia. Nić DNA potrafi zbudować konstrukcje, obrazowo opisywane jako: zamki błyskawiczne, zawleczki, spinki, liście, lassa. I w tych obiektach próbuje odnaleźć odpowiedź na pytanie, jak zbudowane są organizmy żywe. Tylko że to bardziej wyjaśnienie, jak zbudowana jest prosta elektryczna mechaniczna stukawka-pukawka lub pimbdziałura dyfuzyjna, a nie jak działa jamniczek? A my chcemy przyjrzeć się jamniczkowi nie w celu podejrzenia budowy elementów konstrukcyjnych: policzenia kręgów ogona, wykreślenia trajektorii jego wychylenia; a z chęci poznania zależności, sprawiających, że jamniczek raz macha ogonem z zadowolenia, a innym razem podkula go w lęku.

Tak więc, o ile w książce znajdą się opisy fizycznych aspektów helisy, to jedynie w stopniu niezbędnym do zrozumienia określonych zachowań. Jak również do wykazania, że te złożone struktury można opisać prostymi słowami języka DNA. Celem książki jest właśnie zrozumienie tego języka – a do tego nie jest istotne, czy kod genetyczny przekazywany jest pismem, głosem, czy poprzez reakcje chemiczne, których efektem są inne związki chemiczne.

Podejrzewam, że podobne spojrzenie może wzbudzić niepokój oraz niechęć nie tylko biologów czy genetyków, przywiązanych do myślenia, że skoro świat materialny zbudowany jest z atomów, to tylko poprzez opisanie ich zachowania, można zrozumieć wynik działania kodu genetycznego.

Przyznam, że ja sam gubiłem się często, przytłoczony fizycznością opisów i zapominałem, aby patrzeć na nukleotydy jak na przekaz treści, dla której obojętny jest nośnik, a istotny jedynie sens przekazu. Zagłębiając się w naukowe wywody, rodziło się we mnie zwątpienie: a może kod genetyczny to jednak tylko zbiór chemicznych reguł, prowadzących od scalenia jednego związku chemicznego do następnego – wchodzących w związki z kolejnymi, aż powstaje życie takie, jakie znamy z codziennych uciech i boleści ciała. Ale w chwilę później rodził się bunt: to wszystko prawda, lecz chcąc zrozumieć zależności naszej fizyczności i psychiki od informacji ukrytych w kodzie genetycznym, trzeba na niego spojrzeć jak na język. A tutaj czeka na nas przykra niespodzianka. Mimo że potrafimy genetycznie modyfikować żywność, klonować zwierzęta, to wciąż nie rozumiemy języka genów. Odczytujemy jedynie fragmenty kodu, bardziej się domyślając niż wiedząc, co jest pomiędzy poznanymi słowami. Znany fizyk i popularyzator nauki Paul Davis, badający gramatykę kodu genetycznego, powiedział: „Brakuje nam klucza do zrozumienia tego języka. Kiedy go znajdziemy, będziemy mogli odczytywać wiadomości, jakie mają dla nas geny”.

Ta właśnie chęć odczytania przekazu ukrytego w nici nukleotydów, jest głównym przesłaniem książki.

Przypisy:

Jak działa jamniczek − polski animowany film krótkometrażowy Juliana Antonisza z 1971 roku, ukazujący złożoność struktur biologicznych stworzonych przez naturę w stosunku do struktur mechanicznych stworzonych przez człowieka. W filmie wykorzystano niekonwencjonalne techniki filmowe takie jak wycinankę, rysunek, filmowanie reakcji chemicznych, wydrapywanie obrazów na taśmie filmowej . Film do obejrzenia na stronie: http://www.animacjapolska.pl/film,6965,,Jak-dziala-jamniczek--.html.

Cytat z artykułu Jakie zagadki kryją się w naszych genach?, „Świat Wiedzy” 2012, nr 4, s. 104.3. Zakręty ewolucji

Dziwny jest ten genetyczny świat. Kariotyp ameby ma 670 miliardów par zasad – ponad dwadzieścia razy więcej niż człowiek; zboża jak pszenica czy ryż oraz jedzące te ziarna myszy – mają od nas więcej genów; psy, wilki, a nawet ziemniak – większą liczbę chromosomów. Więc czym jest istota człowieczeństwa. Jego wyższość nad światem roślin i zwierząt, tchnienie boskiego ducha?

3.01. Człowiek brzmi dumnie...

Po latach podglądania kodu życia genetycy doszli do wniosku, że zaledwie od dwóch do trzech procent genomu bierze udział w budowaniu białek – podstawy funkcjonowania organizmów. Z bezmyślnością godną dziecka uznali, że pozostała – a teraz już wiemy, że przeważająca część łańcucha DNA – jest nieistotna. Nazwali ją śmieciowym DNA i przestali się nim interesować, skupiając na białkach.

Ale to tak jakby na życie patrzeć jedynie poprzez niedziele lub święta, nie widząc dni roboczych. Dlaczego przyjęto tak nierozsądne założenie? Myślę, że u podstaw podobnego myślenia legło mendlowskie podejście do genetyki. I ono zaważyło na wieloletnich próbach zrozumienia istoty ewolucji.

3.01.01. Mniej genów...

Do tej pory uważano, że to długość kodu genetycznego DNA, jest tym, co odróżnia nas od małp. Przystępując do projektu poznania genomu człowieka zakładano, że nasz genom powinien mieć około 100.000 genów. Liczba ta wynikała z założenie, że skoro genom kukurydzy ma ich około 40.000, to człowiek musi mieć o wiele więcej. Poza tym organizm człowieka produkuje blisko 90.000 białek, więc zgodnie z pokutującą wówczas zasadą jeden gen – jedno białko, genów musiało być co najmniej tyle, ile rodzajów białek.

Tylko że liczba genów, które spodziewano się w genomie człowieka od wielu lat maleje. Wyniki ostatnich badań wskazują, że tak naprawdę jest ich bardzo, bardzo mało... Za mało, jak na tak istotne zmiany. Liczba genów spadała, najpierw do około 30.00-40.000, później do 25.000. Tych kilka procent genów więcej od genomu szympansa miało stanowić o naszej niepowtarzalności? Podliczono, że z ponad trzech miliardów par liter DNA do ułożenia odrębności genów człowieka użytych zostało jedynie ... sześćdziesiąt milionów par. To ledwo dwie setne promila.

Coś było nie tak. Czy tak małe różnice w genomach wystarczają, by pozwolić człowiekowi nazwać się najwyższym wytworem ewolucji. Czyżbyśmy w tak niewielkim stopniu różnili się od darwinowskiej małpy? To już zaniepokoiło genetyków.

Ale to nie był jeszcze koniec redukcji... Liczba genów wciąż się zmniejsza. W 2004 roku zespół naukowców z całego świata, kierowany przez bioinformatyka Takashiego Gojoboriego z Narodowego Instytutu Genetyki w Tokio, połączył sześć baz genomu człowieka (po jednej z USA, Chin, Niemiec oraz trzech z Japonii). I z zebranych 41.000 pozycji, po usunięciu powielonych lub niekompletnych, powstała baza Human Full-Lenght cDNA Annotation Invitational, która zawierała już tylko 21.037 genów. Twórcy bazy mówią, że jest ona najbardziej wiarygodna, gdyż zawiera wyłącznie aktywne geny. Taką bazę tworzy się na podstawie cDNA – cząsteczki DNA utworzoną na podstawie sekwencji informacyjnego RNA (mRNA).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Zgadzając się z mniejszą ilością genów niż zakładano, nie ciąłbym jednak ponad miarę... Nie wszystkie geny muszą być zawsze aktywne, niektóre z nich mogą być aktywowane dopiero w specyficznych warunkach – o czym napiszę szerzej w dalszej części książki. Z tych powodów bazę genomu opartą na cDNA projektu H-Invitational uważam za zbyt... przyciętą. Metoda tworzenia bazy genów na podstawie cDNA w pewien sposób przenosi wcześniejszy błąd podejścia do genetyki – skupia się wyłącznie na białkach! Poza tym, do policzenia genów ta metoda może wystarcza, lecz ma jedno, bardzo istotne ograniczenie – zapis nukleotydów genu nie zawiera informacji o odcinkach intronów. A jak już wiemy, to w tych odcinkach ukryta jest bardzo ważna informacja.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Tabela 01. Liczba genów budujących białka

+----------------------------------------+-----------------+------------+
| | Znane geny | Pseudogeny |
| | kodujące białka | |
+----------------------------------------+-----------------+------------+
| Mysz | 21.873 | 4.948 |
+----------------------------------------+-----------------+------------+
| Nicień Caenorhabditis elegans | 20.389 | 1.431 |
+----------------------------------------+-----------------+------------+
| Krowa | 19.113 | 686 |
+----------------------------------------+-----------------+------------+
| Człowiek | 19.355 | 11.362 |
+----------------------------------------+-----------------+------------+
| Szympans | 16.152 | 471 |
+----------------------------------------+-----------------+------------+
| Muszka owocowa Drosophila melanogaster | 13.781 | 95 |
+----------------------------------------+-----------------+------------+
| Drożdże Saccharomyces cerevisiae | 6.696 | 21 |
+----------------------------------------+-----------------+------------+

Źródło: Ensemble

Podobnej liczby genów potrzeba, by zbudować małpy, krowy, czy nawet... nicieni. Przecież te organizmy i ludzi dzieli przepaść – krzyczy nasz egoizm. Po ustaleniu genomu nicienia C. Elegans okazało się, że blisko trzy czwarte genów tego organizmu wielokomórkowego jest wspólna z genami człowieka. Z 5.000 poznanych genów człowieka wspólnych mamy blisko 3.700. Według ewolucji rozdział nicieni i ludzi dokonał się 600 milionów lat temu. To jednak nie zmieniło funkcjonowania wielu genów. Geny ludzkie są tak podobne do nicieni, że po zamianie genów nicienia ludzkimi - te prawidłowo pracowały. To żywe skamieniałości. A może ich funkcjonowanie jest tak doskonałe, że ewolucja nie dokonała już żadnych poprawek?

W organizmie człowieka znajdziemy nie tylko geny nicieni. Można również powiedzieć, że ludzie są jak ptaki. Tak można by stwierdzić, porównując gen FoxP2, czym zajął się zespół Ericha Jarvisa z Duke Univeristy Medical Center oraz Constance Scharffa z Max-Planck Institut w Berlinie. Sekwencja tego genu u ptaków i u ludzi jest identyczna w 98 procentach. U ludzi zaburzenie w pracy tego genu są przyczyną dziedzicznego upośledzenia mowy, ludzi tracą zdolność prawidłowego wypowiadania słów czy układania zdań poprawnych gramatycznie. Podobnie jest u ptaków – nie potrafią śpiewać. U ptaków gen ten jest najbardziej aktywny w czasie nauki śpiewu – u zeberki na wczesnym etapie rozwoju, u kanarków w okresie sezonowych zmian wyśpiewanych linii melodycznych.

Człowiek korzysta również z genów muszki owocowej (podobieństwo genów budujących oczy) oraz wielu, wielu innych organizmów, o czym będzie okazja jeszcze wielokrotnie przypomnieć.

Tabela 02. Procent wspólnych genów człowieka z innymi organizmami

------------------------------------ -------------------------
Organizm Procent wspólnych genów
Rodzeństwo 99,95%
Inny człowiek 99,90%
Szympans zwyczajny Pan troglodytes 98,40%
Krowy 90,00%
Myszy 75,00%
Nicienie Caenorhabditis elegans 40,00%
Drożdże piwne 30,00%
Bakteria E.coli 15,00%
------------------------------------ -------------------------

Źródło: Michio Kaku Wizje, Prószyński Media, Warszawa 2010, s. 212

Określenie nasze wspólnego dziedzictwa z szympansami na blisko 99% wydaje się przytłaczające i w powszechnym odbiorze jest utożsamiane z identycznością. Cóż bowiem znaczy 1 procent różnicy? A jednak, gdy uświadomimy siebie, że oznacza to około 15 milionów zmian w kodzie – to już przepaść. Zwłaszcza gdy okazuje się, że różnice między naszymi organizmami a szympansa to nie tylko nowe geny, ale również zmiana funkcji wspólnych genów. Podobny gen, czyli zakwalifikowany jako wspólny, a odmienne działanie.

„Zazwyczaj, gdy pojawiają się informacje, że ludzki genom zawiera około 27 tys. genów, odnosi się to do genów kodujących białka. Coraz częściej przyjmuje się, że istnieje duży zbiór genów, które ewidentnie są funkcjonalne, choć nie kodują żadnych białek”. To słowa Michela Georgesa, genetyka z Uniwersytetu w Liege w Belgii. Większość badaczy poluje na geny produkujące białka, odpowiedzialne za różnice w naszym owłosieniu, kształcie głowy, chwytności kciuka czy ogona. Lecz podobne podejście nie rozstrzygnie kwestii wielu zmian – może nie tak widocznych, ale w większym stopniu czyniących z nas ludzi – bo związanych z postrzeganiem świata, komunikacją. Te zmiany są nieznaczne, ograniczają się do wymiany kilku nukleotydów, przestawiających jednak całkowicie warunki i sposoby reakcji zarówno na czynniki środowiskowe, jak i sygnały wewnętrzne.

Porównaniem genomów pod kątem tych drobnych zmian zajęła biostatyk z University of California w San Francisco – Katherine S. Pollard. Stypendium UC w Santa Cruz dało jej szansę uczestniczenie w projekcie poznania genomu szympansa. W tym celu napisała program komputerowy przeszukujący ludzkie DNA w poszukiwaniu fragmentów, które najbardziej się zmieniły po rozdzieleniu drogi ewolucyjnej z szympansem.

Na liście zmian, które wyłapał komputer, najbardziej obiecująca wydała się autorce sekwencja składająca się ze 118 nukleotydów, później nazwane sekwencją HAR1 – którą można określić regionem aktywności człowieka numer 1 (z ang. Human Accelerated Region 1). Dalsze badania wykazały, że sekwencja HAR1 jest fragmentem wspólnej części 2 genów (HAR1F i HAR1R). Stopień aktywności tej sekwencji w neuronach mózgu wpływa na ukształtowanie pofałdowania kory mózgowej. Nieprawidłowe funkcjonowanie na etapie rozwoju wczesnego rozwoju płodu może doprowadzić do śmierci (brak pofałdowań), natomiast zaburzenia u osób dorosłych mogą przyczyniać się do schizofrenii. Dyrektor Center for Biomolecular Science and Engineering w Santa Cruz David Haussler, w którym pracowała uczona, uważa, że to właśnie różnice w tej sekwencji pozwoliły na trzykrotne zwiększenie pojemności mózgów ówczesnych humanoidów.

Katherine Pollard przystąpiła teraz do porównanie sekwencji HAR1 w genomach kury, szympansa i człowieka i określiła zmiany w literach kodu. Okazało się, że u kur i szympansów, których drogi rozeszły się 300 milionów lat temu, różnica ogranicza się do 2 nukleotydów; a u szympansów i ludzi, których rodowody oddzieliły się 6 milionów lat temu, wzrosły do 18 różnic. Tak więc zaledwie 16 nukleotydów dało człowiekowi możliwość rozwinięta części naszego systemu nerwowego, odpowiedzialnego za wyższe funkcje poznawcze.

Lista zmienionych w niewielkim stopniu genów jest dłuższa. Zmiany w sekwencji genu FOXP2, odpowiedzialnego za precyzyjną i szybko mimikę twarzy podczas mówienia, pojawiły się 500 tysięcy lat temu i są obecne już u neandertalczyków, a od szympansów różnią się kilkoma pozycjami. Dwa nukleotydy zmieniają kodowane białko, pozostałe mogą wpływać na warunki budowy (kiedy, gdzie i jak jest ono budowane). Inny gen, związany z budową mózgu ASPM, również podlegał kilku zmianom, a jedna z nich odbyła się już po oddzieleniu linii od szympansów, odgrywając rolę w powiększeniu ludzkiego mózgu.

Tabela 03. Sekwencje genów różnych dla szympansa i człowieka.

----------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Sekwencja Funkcja
HAR1 prawdopodobnie niezbędna do rozwoju kory mózgowej
HAR2 kontroluje aktywność genów odpowiedzialnych za rozwój kciuka i nadgarstka, pozwalając człowiekowi na używanie skomplikowanych narzędzi
FOXP2 wspomaga artykułowanie słów w aparacie mowy, umożliwiając człowiekowi mówienie
AMY1 koduje enzym trawiący skrobię, co umożliwiło człowiekowi zmianę diety
ASPM koduje białko kontrolujące wielkość mózgu
LCT koduje enzym rozkładający cukier w mleku. U ludzi nie wyłącza się on po okresie dzieciństwa, pozwalając nawet osobnikom dorosłym pić mleko
----------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Źródło: „Świat Nauki” 2009, nr 6, s. 42

Program autorki odnalazł aż 201 sekwencji HAR. Co istotne, te regiony aktywności człowieka w większości nie kodowały białek ani nawet RNA, a okazały się odcinkami regulującymi działania innych genów, położonych w ich pobliżu. A ponad połowa z tych regulowanych przez HAR genów związana jest z rozwojem i działaniem mózgu.

3.01.02. ... za to dłuższe

Wróćmy do pytania z poprzedniego rozdziału: dlaczego rośliny mają więcej genów niż człowiek? Pewną podpowiedzią może być porównanie liczby nukleotydów w pojedynczym genie.

Wyniki znamy dzięki badaniom dwóch zespołów naukowców: z Chin i USA. Zainteresowali się oni genomem tego zboża z powodu jego znaczenia dla wyżywienia ludzkości (jest podstawowym składnikiem diety dla niemal połowy mieszkańców Ziemi). Zespół amerykański kierowany przez Stephena Goffa z Torrey Mesa Research Institute zajął się japońskim podgatunkiem ryżu Oryza sativa japonica, chiński pod kierownictwem Jun Yu podgatunkiem indyjskim Oryza sativa indica. I chociaż porównanie wykazało, że podgatunki ryżu znacznie różnią się liczbą genów – podgatunek japoński ma ich 32-50 tys., indyjski 46-55 tys. – to nie jest to najważniejsza informacja.

Wskazówką, gdzie mogą być różnice między człowiekiem a innymi organizmami o większej liczbie genów, może być długość informacji zakodowanej w genach. Przeciętny gen ryżu zbudowany jest z 4.5 tys. nukleotydów, podczas gdy przeciętny gen człowieka – aż z 72 tys. A że białka ryżu są aż w 98% podobne do białek innych roślin (kukurydzy, pszenicy, jęczmienia), można założyć, że odmienność gatunkowa człowieka nie jest ukryta w samych białkach.

Dalszym przykładem może być długość genomu wspomnianego nicienia. Przy zbliżonej liczbie genów, długość jego genomu to zaledwie 97 mln. nukleotydów – a to zaledwie 3% naszego genomu. Bowiem geny nicieni są bardzo krótkie, przeciętna długość to 5.000 nukleotydów.

3.02. Quo vadis ewolucjo?

Jeżeli masz składniki (mąką, cukier, jajka, tłuszcz) i sprawdzony przepis do pieczenia ciasta, wystarczą niewielkie modyfikacje, jak dekoracja gotowego wypieku innymi bakaliami, by otrzymać różne ciasta. Zaczynając budowę organizmu kod genetyczny nie ma takich ułatwień. Sam musi przyrządzić składniki (białka) oraz ustalić procedurę pieczenia. Dlatego nie dziwmy się, że przepis na życie jest w aż tak dużym stopniu wspólny dla wszystkich organizmów. Wszystkie ssaki zbudowane są z podobnych cegiełek, ułożone według tego identycznego schematu, a jedynie drobne modyfikacje stanowią o ich odrębności.

„Muszki owocowe mają mniej genów niż robaki obłe, a ryż ma ich więcej niż człowiek. Jednak ilość niekodującego DNA wydaje się odpowiadać złożoności organizmu”. To słowa dyrektora Institute for Molecular Bioscience University of Queensland w Brisbane w Australii, Johna S. Mattick’a. Ścieżki ewolucji podążają krętymi wyborami. Już wiemy, że nie zawsze większy ilościowo genotyp oznacza wyższość organizmu. Czasem niewielkie zmiany ilościowe potrafią dokonać skoku jakościowego. Tak jest w przypadku człowieka. Po poznaniu genomu szympansa i skompletowaniu genomu człowieka – znaleziono różnice zaledwie w 1,23 procentu genów.

Do ciekawych wniosków doszedł zespół Svante Pääbo z Instytutu Antropologii Ewolucyjnej Maksa Plancka w Lipsku w Niemczech. Zespół postanowił sprawdzić na ile identyczna (lub bardzo zbliżona) budowa białek wybranych organów jest zbieżna z ich funkcjonowaniem w rożnych organizmach – w tym wypadku człowieka i szympansów. Po dokładnym sprawdzeniu działania genów w sercu, nerkach, wątrobie, jądrach oraz w mózgu, okazało się, że najmniej różnic w funkcjonowaniu genów wykryto w mózgach, a najwięcej w wątrobie. Co więcej, pewne funkcje obecne u małp, u nas zostały wyłączone. I dopiero brak tych umiejętności pozwolił człowiekowi wspiąć się wyżej na drzewo ewolucji.

Informacja o naszym uwłosieniu wciąż jest przekazywana w kodzie. Podobnie jak informacja o ogonie. Tylko że te fragmenty kodu są pomijane w przepisie budowy organizmu. Dla małp (a może już praczłowieka) był to błąd. Lecz błąd nie wpłynął na przeżycie mutantów i brak tej cechy został przekazany dalszej populacji. Dlaczego? Widocznie ta nowa cecha spowodowała, że potomstwo uzyskało większe szanse przeżycia. Nie wpłynęła na funkcjonowanie organizmu, a nie marnowała energii na wytworzenie niepotrzebnych białek. Budowa mózgu jest ważniejsza niż włosów na skórze.

Śladów dawnych genów nie jest tak łatwo się pozbyć. Nasza gęsia skórka to pozostałość po sierści, pomagająca unieść włosy, tworząc z nich grubą, puchową warstwę ochronną przed wychłodzeniem organizmu. Jeżenie się sierści to również sygnał dla innych organizmów: jestem groźny, będę się bronił.

Zmiana trybu życia potrafi wyłączyć niepotrzebne już geny. Tak było z mięśniami szczęki. Wbrew pierwszym skojarzeniom to dieta jarska wymaga większej pracy przy obróbce wstępnej pożywienia niż dieta mięsna. Rośliny trzeba wielokrotnie przeżuć, mięso jedynie rozerwać na mniejsze kawałki i połknąć już po krótkim żuciu. A jeżeli posiada się jeszcze umiejętność rozpalenia ognia, wysiłek jest jeszcze mniejszy... I tak wyłączenie jednego z genów kontrolujących mięśnie szczęki, nie tylko że skutkowało delikatniejszą budową kości szczękowych oraz zębów, to jeszcze pozwoliło by w wolnej przestrzeni czaszki rozwinął się mózg.

Ale to nie koniec zmian wywołanych stylem życia. Wspomniane korzystanie z ognia, pozwalające w wysokiej temperaturze rozłożyć wiele trucizn sprawiło, że straciliśmy zwierzęce umiejętności wykrywania smaków i zapachów. Na pewnym etapie rozwoju wiele genów odpowiedzialnych za wykrywanie smaków – a zwłaszcza wyczuwanie goryczy w pożywieniu – zostało wyłączonych. Podobnie z genami receptorów węchowych.

Czy te ostatnie wyłączenia były związane z udomowieniem psów i wykorzystywaniem ich nosów zamiast własnych – to już inna kwestia. Moim zdaniem być odwrotnie – człowiek udomowił psy, aby zastąpić narzędziem utracone zmysły.

3.02.01. Genowe peregrynacje

Pewne jest, że geny nieużywanych funkcji lub organów ulegają recesji. Wpływ środowiska oraz zmiany trybu życia potrafią włączyć lub wyłączyć geny. Już podczas życia organizmu.

Dlaczego tak się dzieje? Oczywiście z powodu oszczędzania energii. Do prawidłowego funkcjonowania organizmu potrzebny jest stały nadzór ich pracy. Wraz z wyłączeniem niektórych genów, zmniejsza się liczba nadzorowanych procesów, znika potrzeba wydatkowania energii.

Nie wiem z jakich uzdolnień będziemy musieli jeszcze zrezygnować, by stać się lepszym człowiekiem. Genów mięśni nóg – bo zastępuje je samochód? Dalszej recesji genów węchu – bo jedzenie wybieramy po kolorystyce opakowań? W pracy islandzkiej genetyk Bryndis Yngvadottir możemy odnaleźć tezę, że co najmniej dalszych 169 genów może zostać wyłączonych – bez większych skutków dla naszego funkcjonowania.

Po wyjściu z Afryki człowieka i osiedleniu się na terenach mniej nasłonecznionych zostały wyłączone geny odpowiedzialne za ciemny pigment skóry, włosów i oczu. Te zmiany nie wpłynęły na zwiększenie szans przeżycia pojedynczych ludzi, chociaż dla zbiorowości uczyniły wiele złego – czego jednak geny nie mogły przewidzieć. One po prostu dbały o bilans energetyczny, tak jak my wychodząc z domu gasimy niepotrzebne światło. Ale dla organizmów nawet ten niewielki zysk energetyczny mógł uwolnić ją do aktywacji innych funkcji.

Dostrzegania wroga, wyczuwanie zapachu płonącej roślinności, oznakowanego terenu innego zwierzęcia – zastąpiliśmy pracą mózgu. Głębszą pamięcią, szybszą analizą sytuacji. Geny wcześniej nadzorujące zapachy, smak, a nawet barierę odpornościową stały się zbędne. I chociaż mózg jest organ energochłonnym, ewolucja uznała, że korzystny dla rozwoju organizmów. Może dlatego, że większa liczba genów oznacza większą liczbę możliwych do popełnienia pomyłek. A mózg po zbudowaniu jest niemal czysty i dopiero naukami rodziców i własnymi doświadczeniami naukami wypełniony. Będąc zdolnym do odpowiednich reakcji na zmiany środowiskowe niemal natychmiast, a nie – jak w przypadku nadzoru genowego – dopiero w następnych pokoleniach. O ile osobniki, u których wystąpiła mutacja, zdołają przeżyć...

3.02.02. Polowanie na pseudogeny

Według tradycyjnej genetyki takie wyłączone geny nazwano pseudogenami. Jedyna różnica między aktywnymi genami a pseudogenami polega na tym, że tym drugim brak sekwencji startowych koniecznych do rozkazu budowy białka. Zajmuje miejsce w kodzie, lecz jest bezużyteczny. Celowo użyłem sformułowania tradycyjnej, gdyż najnowsze badania wykazują, że nie jest to zawsze prawda.

Zespół Jianzhi Zhanga postanowił prześledzić, czy wyłączone w trakcie ewolucji geny przyniosły człowiekowi korzyść, czy też coś straciliśmy? W naszym genomie szukał sekwencji mogących być dezaktywowanymi genami – a następnie starał się odnaleźć podobne sekwencje w genomie szympansa. Efektem było odnalezienie 80 pseudogenów, wciąż aktywnych u szympansów.

Po sprawdzeniu ich funkcji w bazie danych Genom Ontology, projekcie próbującym określić funkcje genów wszystkich gatunków zwierząt, okazało się, że wyłączeniu podlegały gównie geny związane z wyczuwaniem zapachów, receptory smaku oraz ...układem odpornościowym.

I tak gen CASP12 – nieaktywny u wszystkich nie-Afrykanów, a wciąż aktywny u niektórych mieszkańców Afryki – reguluje skuteczność działania tego układu, hamując jego nadaktywność. Podobne działania genów często są przydatne, gdyż zbyt silna kontrola prowadzi do reakcji obronnych organizmu niemal na wszystkie związki chemiczne roślin i zwierząt. Lecz włączony gen CASP12 zmniejsza odporność na chorobę bakteryjną krwi – sepsę (posocznicę). Coś za coś – albo nieustanne kichanie, albo słabsza obrona...

Podobnych, wyłączonych genów, w genomie człowieka znajdziemy około 11.362. To niemal połowa wszystkich genów człowieka. Może stąd błąd we wcześniejszym ustalaniu liczby genów kodujących naszą niepowtarzalność?

Rezygnacja z jednych uzdolnień obfituje rozwinięciem innych. Zespół Dorona Lanceta z Weizmann Institute of Science w Rehovot w Izraelu oraz Yoava Gilada z The University of Chicago w USA badał geny kodujące receptory zapachowe.

W pełni funkcjonalnych genów receptorów zapachowych człowiek ma około 500. Okazało się, że przeskakując na wyższą gałąź ewolucji, utraciliśmy wiele możliwości rozróżniania zapachów. Około 300 genów – nie funkcjonujących prawidłowo u ludzi – wciąż jest aktywnych u naszych najbliższych kuzynów, a nawet u szczurów i myszy.

Jak zwykle coś za coś. Większość strat genowych receptorów węchowych została zastąpiona rozwinięciem zdolności widzenia trójbarwnego. A przy okazji: kobiety (w większości) mają lepiej rozwinięte postrzeganie koloru. Wiele z nich ma dodatkowy receptor koloru, gen kodujący opsynę typu L (czopki czułe na długość fal od 500 do 700 nm – od zielonego po czerwony), umieszczony w chromosomie X. Do pseudogenów powrócimy jeszcze w rozdziale Śmieciowe DNA.

http://www.rozmowy.all.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=137&Itemid=94.

https://www.jbirc.aist.go.jp/hinv/index.jsp.

Urszula Bulkowska, Katalog ludzkich genów, „Świat Nauki” 2004, nr 6, s. 22.

cDNA – komplementarny DNA, z ang. complementary DNA.

Nicienie – typ zwierząt bezkręgowych, dawniej klasyfikowanych jako gromada w typie obleńce. Zamieszkują środowisko wodne, ale również glebę. Większość z nich jest pasożytami zwierząt i roślin.

http://www.cs.unc.edu/~plaisted/ce/worm.html.

C. elegans był pierwszym organizmem wielokomórkowym, którego genom został w całości zsekwencjonowany. Ostateczna sekwencja genomu została opublikowana w 1998 r. chociaż zawierała ona kilka przerw o nieznanej sekwencji (brakujące dane opublikowano w październiku 2002 roku). Jego genom składa się w przybliżeniu ze 97 milionów par zasad i zawiera około 19 400 genów. http://main3.amu.edu.pl/~robsob/elegans/badania/jsp/elegans.html.

Rafał Derlacz, Ptaki jak ludzie, „Świat Nauki” 2004, nr 6, s. 21.

W tabeli powyższej określono podobieństwo genomu człowieka z genomem szympansa na ponad 98%. Jednak dokładniejsze przyjrzenie się genomom wykazuje, że zmiany w kodzie są większe. To zmiany w budowie chromosomów (przypominam, że małpy mają ich 48, a ludzie 46), wycięcia fragmentów kodu, przy jednoczesnym wstawieniu dodatkowych odcinków. Dlatego też procent wspólnego dziedzictwa został obniżony do 96 procent. http://wyborcza.pl/1,75476,2894820.html.

Katherine S. Pollard, Człowieczeństwo zapisane w genach, „Świat Nauki” 2009, nr 6, s. 38 (What Makes Us Human?, Scientific American Magazine, 2009, vol. 5).

Ustalono, że HAR1F jest bardzo aktywny pomiędzy siódmym a dziewiętnastym tygodniem życia płodowego. Działa on w tej części mózgu, w której znajdują się tzw. neurony Cajala-Retziusa odgrywające kluczową rolę w formowaniu się sześciu podstawowych warstw ludzkiej kory nerwowej. http://pl.shvoong.com/exact-sciences/biology/1725907-gen-cz%C5%82owiecze%C5%84stwa/.

Sekwencji HAR1F przyjrzymy się bliżej w rozdziale Niewielkie zmiany – duże skutki (analiza literowa) oraz Niewielkie zmiany – duże skutki (analiza cyfrowa).

H. G., Tym razem ryż, „Świat Nauki” 2002, nr 6, s. 21.

http://wyborcza.pl/1,75476,2894820.html.

http://supermozg.gazeta.pl/supermozg/1,91626,6011053,Po_co_nam_gesia_skorka__czkawka__pepek_.html.

Teza z artykułu Marcina Ryszkiewicza, Mniej zwierzęcia to więcej człowieka, „Wiedza i życie” 2009, nr 11, s. 30.

http://bioinfo.mol.uj.edu.pl/articles/Solarczyk06.

The American Journal of Human Genome, 5 lutego 2009.

Więcej o pseudogenach w rozdziale Śmieciowe DNA.

Praca opublikowana w 2006 roku w PLoS Biology.

http://www.geneontology.org.

Według danych z obowiązującej w książce tabeli.