Używamy ciasteczek, dzięki którym strona działa poprawnie.
Co kryje nasze DNA?
dr Mariusz Gogól
18 listopada 2020

 

Często zdarza się słyszeć, że DNA przypomina książkę kucharską, która zawiera przepisy na różne białka. Faktycznie, mieszczą się tam takie informacje, ale nie tylko. Kodowane są w nim również inne cząsteczki, potrzebne do podtrzymywania funkcjonowania machiny życia. 

Wiele z miejsc w obrębie materiału genetycznego ma również odrębną rolę. Mogą stać się wykrzyknikami, które wzmacniają poszczególne zdania „przepisu życia”. Inne z jego części tylko dryfują z miejsca na miejsce. Same przepisy podane są nie wprost, mają duże odstępy między wyrazami. Mogą też być wykonywane nie po kolei, co zmienia nieco sens tworzonych na ich podstawie molekuł. Jakie informacje kryje w sobie DNA? Jaka jest jego historia?

Białka – nośniki informacji?

Czasem informacja, że DNA było znane przed odkryciem, którego dokonali James Watson i Francis Crick w 1953 roku budzi zdziwienie. Jednocześnie zaskakuje fakt, że nie od zawsze tym cząsteczkom przypisywano rolę nośnika informacji. Historia może się więc wydawać poplątana. Spróbujmy ją nieco uporządkować. Faktycznie wyniki badań, które zaowocowały Nagrodą Nobla, były przełomowe, ale nie dotyczyły znalezienia cząsteczki stanowiącej podwaliny życia, a określenia jej helikalnej struktury. Przyszli nobliści nie byli jedynymi, którzy zastanawiali się nad jej kształtem. Konkurowali wówczas z Linusem Paulingiem, słynnym amerykańskim biochemikiem, który również twierdził, że DNA ma spiralną budowę. Jednak błędnie zakładał, że zbudowana jest z trzech, a nie dwóch nici. Budowę materiału genetycznego badała również Rosalind Franklin, której wyniki badań sugerowały faktyczną strukturę. Zresztą, Watson i Crick bazowali na jej odkryciach.

Prawda jest taka, że obecność DNA w komórkach znana jest już od XIX wieku. Zostało ono odkryte w 1863 roku przez szwajcarskiego biochemika – Johanna Friedricha Mieschera. Stało się to podczas badania składu limfocytów, które pozyskiwał z bandaży pacjentów jednego ze szpitali. Znalezioną cząsteczkę badacz nazwał nukleiną. Potem ze względu na jej kwaśny charakter zmodyfikował nazwę na kwas nukleinowy. Miescher wiedział już, że nowo odkryta cząsteczka ma dużo reszt fosforowych (25% składu), określił też ilość tlenu, węgla czy azotu. Wiedział, że nie należy do najmniejszych znanych nauce, ponieważ nie jest w stanie przejść przez papier. Oczywiście początkowo rola DNA nie była znana. Do jej odkrycia dochodzono, jak zazwyczaj bywa to w nauce, po omacku. W 1903 roku W.S. Sutton, amerykański biolog, zaproponował teorię, według której geny znajdują się w chromosomach. Według badań te zawierały równe ilości DNA i białek. Co ciekawe na początku uważano, że geny tak naprawdę, kryją się w ich białkowej części. To błędne przekonanie oparte było o twierdzenie, że wszystkie cząsteczki DNA w komórce są takie same. Wiedząc już, że białka są bardzo zróżnicowane, właśnie im przypisano rolę nośników informacji.

Jak różnią się cząsteczki DNA uświadomiono sobie dopiero w latach 30. ubiegłego wieku. Rola białek jako nośników genów powoli odchodziła w zapomnienie. Przyczyniły się do tego dwa ważne eksperymenty. Pierwszy z nich został opublikowany w 1944 roku i dotyczył stworzenia wirulentnych bakterii Streptococcus pneumonie z niezjadliwego szczepu. Stało się to po zmieszaniu niegroźnych bakterii z ekstraktem zawierającym DNA, który pochodził z chorobotwórczej wersji mikroorganizmu. Różne kombinacje eksperymentu potwierdziły, że to właśnie DNA musi być nośnikiem genów. Drugi dotyczył obserwacji bakteriofagów wnikających do komórek bakterii. Wtedy wiedziano już, że geny bakteriofagów sterują komórką bakteryjną. Skoro jedyną obserwowaną cząsteczką, która dostaje się do komórki było DNA, jasnym stało się, że to tutaj ukryte są geny.

Informacja zapisana czterema literami

Dziś wszyscy wiemy, że DNA jest helisą zbudowaną z dwóch połączonych nici. Ich oddziaływanie jest możliwe dzięki wiązaniom chemicznym między budującymi każdą z nich cegiełkami. Dokładnie przebiega ono między zasadami azotowymi, które wraz z cukrem – deoksyrybozą oraz resztą kwasu fosforowego stanowią tę podstawową jednostkę budulcową każdej nici. Powstałe połączenie to para zasad. Liczba łączących się partnerów jest sobie równa. Stwierdził to już Erwin Chargaff, jeszcze przed odkryciem struktury DNA. Tymi molekularnymi partnerami są adenina, która trzyma się leżącej naprzeciwko guaniny. Cytozyna natomiast chwyta tyminę. Leżące wzdłuż jednej z linii zasady stanowią alfabet, którego prawidłowe odczytanie i spełnienie kilku następnych kroków umożliwia stworzenie cząsteczki.

Prawie całe DNA, bo około 99%, ukryte jest w jądrze komórkowym. Tam pomiędzy podziałami występuje w formie luźnej struktury zwanej chromatyną, która w trakcie dzielenia się komórek formuje chromosomy. Ich ilość zależna jest od gatunku. W podstawowych komórkach budujących nasze ciała mamy ich 46. Z DNA nierozłącznie związane są różne inne cząsteczki, m.in. histony, które jak koraliki organizują jej nici – to zręby tworzonej struktury. Kondensacja DNA jest konieczna. Jeśli wyobrazimy sobie, że sumarycznie cząsteczki w każdej komórce ciała mają ok. 2 metrów, nie będziemy mieć żadnych wątpliwości. Niewielka część materiału genetycznego, bo ok. 1%, znajduje się w naszych mitochondriach. Są to organella komórkowe, w których produkowane są cząsteczki będące przenośnikami energii. 

W materiale genetycznym znajdują się informacje na temat białek, ale również rRNA oraz tRNA. Pierwsza z cząsteczek buduje rybosomy – fabryki, na których dochodzi do tworzenia cząsteczek protein w oparciu o molekułę zwaną mRNA, o której napiszę później.  Druga natomiast odpowiedzialna jest za przenoszenie aminokwasów podczas operacji budowy białka.

Przepis na białko

Zasada, w jaki sposób informacja genetyczna zostaje skopiowana wydaje się prosta. Cząsteczka, która składa się z dwóch nici musi stworzyć dostęp dla polimerazy RNA, która chce przepisać konkretną jej część oraz jej białkowych pomocników. DNA rozluźnia się więc w pobliżu. Rozpoczęcie transkrypcji możliwe jest dzięki temu, że wspomniane białka, w odpowiedniej sekwencji, łączą się promotorem. Jest to obszar, który można porównać z dokiem startowym. Podczas procesu przepisywania informacji odczytywana jest tylko jedna z nici zwana matrycową. Polimeraza RNA tworzy wówczas wspomnianą cząsteczkę mRNA. Wydłużanie jej polega na przyłączaniu kolejnych cegiełek zwanych nukleotydami. W odróżnieniu od DNA cukrem jest tu ryboza, a zamiast tyminy występuje uracyl, który również tworzy parę z adeniną. Po zakończeniu procesu i kilku dodatkowych krokach mRNA wydostaje się z jądra i na wspomnianych rybosomach tłumaczone jest na białko. Potrzebne aminokwasy dostarczane są oczywiście przez przywołane wcześniej tRNA, które patrząc na trzyliterowe sekwencje cząsteczki mRNA dopasowują odpowiedni aminokwas. Te połączone z sobą dają białko. Tworzenie cząsteczek tRNA i rRNA wygląda podobnie. Oczywiście te nie są przepisywanie na białka. Po pewnych obróbkach mogą od razu spełniać swoje funkcje.

Introny – niekodujące fragmenty o złożonej funkcji

Dziś o DNA i informacjach, jakie koduje wiemy znacznie więcej niż mówi ten uproszczony opis. Nie są to oczywiście wiadomości kompletne i wystarczające, ale dość dobrze rozumiemy jego fenomen (co wcale nie oznacza, że całkiem poznaliśmy jego naturę). Spróbujmy jednak jakoś uporządkować te informacje. Wiemy, że przepis na budowę białek jest nieco poszatkowany. Tak naprawdę stanowi on ok. 1,5% informacji genetycznej, to tak jakby na każdej stronie wielkiej księgi rozmieścić dość przypadkowo po jednym czy dwóch słowach przepisu. Między odcinkami niosącymi faktyczną treść są również takie, które jej nie kodują, ale są z nią nierozerwalnie związane. Pierwsze z nich nazywamy egzonami, drugie intronami. Te, razem z promotorem, czyli miejscem, od którego rozpoczyna się transkrypcja, noszą nazwę genu. Geny i sekwencje z nimi związane stanowią ok. 37% genomu człowieka.

Same introny mogą odgrywać również rolę regulatorową, stanowiąc repozytoria dla tak zwanych elementów cis. Są to elementy kontrolne, które wiążą się z różnymi czynnikami transkrypcyjnymi – cząsteczkami regulującymi ten proces. Działają jak pewnego rodzaju wykrzykniki molekularne. Badania pokazały, że gdy pewne introny wstawi się między startem odczytywania DNA a faktycznym kodem białka, to dochodzi do zwiększenia ekspresji mRNA. Znane są również elementy cis umożliwiające prawidłowe rozpoczynanie transkrypcji, a także ją hamujące.

To nie koniec roli tych niekodujących fragmentów DNA. Introny mogą funkcjonować również jak naprawdę długi myślnik. Zajmują się regulowaniem czasu pojawienia się białka. Dzieje się tak dzięki temu, że same muszą być przepisywane na mRNA, więc czas od inicjacji tego procesu do pojawienia się produktu białkowego może być dzięki nim wydłużony. W obrębie intronów mogą pojawić się również zdania, które wyglądają jak dopisane między wyrazami notatki. To tak zwane geny zagnieżdżone. W ludzkim genomie znanych jest 158 genów kodujących białka. Są to zazwyczaj cząsteczki o funkcji niepowiązanej z molekułami kodowanymi przez gen, którego intron jest gościem. W innym przykładzie takiej matrioszki zagnieżdżony jest pseudogen, ale o nim za chwilę.

Splicing – różna interpretacja tego samego przepisu

Sprawa z powstającym mRNA jest nieco skomplikowana. Informacja przepisana na tę cząsteczkę zawiera zarówno introny, jak i egzony. Dlatego też mRNA, a w zasadzie pre-mRNA, zostaje pocięte na odpowiednie fragmenty w procesie zwanym splicingiem. Kieruje nim kompleks białek i RNA zwany spliceosomem, a dzieje się to w sposób specyficzny dla tkanki albo stadium rozwoju. Według ustaleń takiej obróbce podlega aż 90% cząsteczek pre-mRNA. Powstałe elementy mogą być łączone alternatywnie, niekoniecznie po kolei. Czasem w gotowym mRNA zostaje zachowany nawet intron. Dzięki temu może powstać wiele alternatywnych wersji przepisu. Dzięki temu z danego fragmentu DNA faktycznie powstaje więcej niż jeden typ cząsteczki białka. Dobrym przykładem, pokazującym możliwości alternatywnego składania są neureksyny. Tak nazywamy białka, które odgrywają ważną rolę w łączeniu komórek nerwowych w miejscu zwanym synapsą. W uproszczeniu chwytają się one cząsteczek zwanych neuroliginą, tworząc połączenia i pośrednicząc w przekazywaniu sygnału między komórkami nerwowymi. Mimo że w ludzkich komórkach znajdują się tylko 3 geny tych białek, dzięki alternatywnemu składaniu znamy ponad 3000 różnych wersji ich produktu.

Co znajduje się między genami?

Poza kodującą częścią genomu znajduje się również DNA międzygenowy, który stanowi 63% jego objętości. W jego obrębie wyróżniamy tak zwane powtórzenia rozproszone, które nazywamy elementami transpozycyjnymi. Jak sama nazwa wskazuje są one zdolne do przemieszczania się z jednego miejsca w genomie na inne. Ich aktywność może przypominać nieco rozlewające się kleksy atramentu, które mogą przebijać się na inne kartki, czasem zaciemniając obraz i prowadzić do katastrofy w odczytywaniu informacji.

Jednym z typów wspomnianych elementów są sekwencje insercyjne, które nie kodują niczego więcej niż informacje potrzebne do zmiany miejsca. Drugie to transpozony, które są bardziej skomplikowanymi strukturami o różnym typie złożoności. Wyróżniamy wśród nich retrotranspozony oraz transpozony DNA. Pierwsze z nich mogą przemieszczać się w obrębie genomu macierzystej komórki, jak i wędrować do innych. Nie są wycinane, ale dzięki odpowiednim enzymom kopiowane do RNA, a następnie do DNA, które może być włączone w nowe miejsce. Jeden z ich rodzajów jest podobny do retrowirusów. Wśród nich najlepiej poznanym jest sekwencja L1, która występuje w ponad pół miliona kopii. Wśród drugiego typu, który nie przypomina wirusów, możemy znaleźć sekwencję Alu. Ich wbudowanie w genom może być przyczyną różnych chorób o podłożu genetycznym. Taka sekwencja może być wklejona np. w obszar genu nf1. Jest on wyjątkowo długi i koduje białko zwane neurofibrominą, które jest wielofunkcyjną regulatorową cząsteczką. „Dodatkowa” cząsteczka Alu jest przyczyną neurofibromy – choroby, w której w tkance nerwowej dochodzi do tworzenia guzów. Z kolei transpozony DNA przemieszczając się do nowych miejsc mogą wpłynąć m.in na poziom produkcji mRNA, co może być niekorzystne, ale i w pewnych sytuacjach korzystne dla komórki. Wszystko zależy od molekularnego kontekstu.

Bliźniacy genów

Nie możemy zapomnieć również o pseudogenach, o których wspomniałem wcześniej. Mogą one powstać w procesie tworzenia retrotranspozonów. Wtedy elementy odpowiedzialne za ich stworzenie, przypadkowo zrobią to samo z jakimś genem. Stworzona cząsteczka RNA, gdy zostaje wprowadzona do genomu jako DNA, ma już powycinane pewne elementy. Nie mają miejsca, w którym rozpoczyna się transkrypcja, więc tak naprawdę nie może być już przepisem do stworzenia białka. Pseudogeny mogą powstać też m.in. na skutek zduplikowania genu podczas rekombinacji homologicznej. Jest to proces wymiany materiału genetycznego między bardzo podobnymi fragmentami DNA jednej bądź różnych cząsteczek. Gdy jego kopia zostanie zmutowana, funkcja powielonego genu jest wyłączona. Takie mutacje nie są szkodliwe. Mimo że pseudogeny mają nieco zagmatwane w swoich sekwencjach, zdarza się, że około 6–20% ulega transkrypcji, a ich RNA pełni rolę np. jako regulatory ekspresji genów homologicznych, czyli tak naprawdę ich „genetycznych bliźniaków”. Oczywiście to nie wszystkie elementy genomu. Znamy również sekwencje satelitarne. Są to powtórzone krótkie DNA. Odgrywają one ważną rolę podczas podziałów komórkowych. Wyróżniamy też mini- i mikrosatelity, które również są powtórzeniami pewnych sekwencji. Ich funkcja nie jest dobrze poznana, ale pierwsze z nich z racji swojej różnorodności znalazły zastosowanie w identyfikacji materiału biologicznego np. w kryminalistyce.

Mimo że alfabet genetyczny złożony jest tylko z 4 liter odczytywanych w liniowej sekwencji, informacja genetyczna nie jest tak prosta, jak może się wydawać. Dodatkowo towarzyszy jej mnogość różnych sekwencji, wspomagaczy czy fragmentów, które żyją „same dla siebie”. Rozszyfrowanie ich funkcji sprawia problemy nie tylko naukowcom. Sama natura nieraz popełnia błędy kombinując z materiałem genetycznym. Te z jednej strony prowadzą czasem do chorób, z drugiej są jednym z motorów napędowych ewolucji.

Autor: dr Mariusz Gogól

 

Komentarze
DODAJ komentarz
Oceń
W przypadku naruszenia regulaminu Twój wpis zostanie usunięty.
Najnowsze artykuły
18 listopada 2020
Fizyka informacji

 

Gdy zapytać fizyków o to, jakie są podstawowe składniki świata, w odpowiedziach prawdopodobnie pojawią się cząstki i pola, materia i energia... ale raczej nie informacja. No właśnie, co z tą informacją?

18 listopada 2020
Co kryje nasze DNA?

 

Często zdarza się słyszeć, że DNA przypomina książkę kucharską, która zawiera przepisy na różne białka. Faktycznie, mieszczą się tam takie informacje, ale nie tylko. Kodowane są w nim również inne cząsteczki, potrzebne do podtrzymywania funkcjonowania machiny życia. 

18 listopada 2020
Subiektywnie o Noblu dla Rogera Penrose'a

 

Nie potrafię niestety być obiektywny, próbując skomentować przyznanie Nagrody Nobla z fizyki Rogerowi Penrose’owi – po prostu za bardzo mnie ono ucieszyło. Postaram się więc chociaż wyjaśnić, skąd bierze się ta osobista radość.

18 listopada 2020
Wspomnienie Johna D. Barrow

 

Wspomnienie o Johnie D. Barrow – wybitnym kosmologu, niestrudzonym popularyzatorze nauki, orędowniku dialogu między wiarą i nauką oraz laureacie Nagrody Templetona.