Oceń artykuł:
0.00 avg. rating (0% score) - 0 votes

Książka „Tajemniczy świat genomu ludzkiego” przybliża nas do zrozumienia, w jaki sposób geny dają początek temu, co każdy z nas z natury uważa za swoją jaźń.


Tajemniczy świat genomu ludzkiegoJak stosunkowo prosty chemiczny kod mógł dać początek złożoności człowieka? W jaki sposób wyewoluował genom ludzki? Jak naprawdę działa?

Po zadaniu tych pytań natychmiast stajemy w obliczu tajemnic. Żeby na nie odpowiedzieć, musimy zgłębić podstawową strukturę genomu, jego systemy operacyjne oraz mechanizmy działania. Czy taki temat książki nie zapowiada wyprawy w świat niezwykłej złożoności, zbyt skomplikowanej jak na możliwości niebędącego naukowcem czytelnika?

Książka „Tajemniczy świat genomu ludzkiego” jest przeznaczona dla takich właśnie czytelników. Nie ma w niej naukowego żargonu, próżno w niej również szukać wzorów matematycznych czy chemicznych.

Przybliża nas ona do zrozumienia, w jaki sposób geny dają początek temu, co każdy z nas z natury uważa za swoją jaźń, a co z kolei umożliwiło narodziny geniuszu Mozarta czy Newtona. Nic dziwnego, że spoglądamy na tę skarbnicę potencjału z respektem i wciąż próbujemy zgłębić tajemnicę, która stanowi podstawę naszego istnienia.

***

Dopiero niedawno pojęliśmy genom ludzki na tyle głęboko i szczegółowo, żeby móc zebrać w jedno jego cudowną historię – na przykład odkryć, że kryje się w nim coś więcej niż tylko sam DNA. Postaram się przekazać tę historię w niniejszej książce.

***

Frank Ryan jest lekarzem, absolwentem University of Sheffield. Brał udział w badaniach nad chorobami zakaźnymi i autoimmunologicznymi, jednak w kręgu jego zainteresowań znajduje się przede wszystkim biologia ewolucyjna, m.in. interakcje między genomami wirusów i ich żywicieli, w tym ludzi. Autor książek popularnonaukowych, honorowy Senior Lecturer in the Academic Unit of Medical Education na University of Sheffield, członek Royal College of Physicians, Royal Society of Medicine i Linnean Society of London.

Frank Ryan
Tajemniczy świat genomu ludzkiego
Przekład: Adam Tuz
Seria: Na ścieżkach nauki
Wydawnictwo Prószyński Media
Premiera: 10 sierpnia 2017
 
 

Tajemniczy świat genomu ludzkiego


Wstęp

Do przeistoczenia się materii nieożywionej w żywe istoty nie trzeba było żadnego specjalnego aktu stworzenia, żadnej iskry życia. Składają się one bowiem z tych samych atomów, tyle że tworzących odmienne architektury.
Jacob Bronowski, The Identity of Man

Bronowski rozpoczyna swoją jeszcze słynniejszą książkę Potęga wyobraźni od słów: „Człowiek jest stworzeniem szczególnym. Jego uzdolnienia czynią go istotą unikalną w świecie zwierząt. W odróżnieniu od nich nie jest elementem krajobrazu, lecz jego współtwórcą”. Jednak dlaczego my, ludzie, staliśmy się tymi, którzy współtworzą krajobraz, zamiast pozostać jedynie zasiedlającymi go postaciami? Różnimy się od, powiedzmy, konika morskiego lub geparda naszym dziedzictwem genetycznym, całością kodującego nas DNA, gdyż jest ona u ludzi inna w porównaniu z konikiem morskim czy gepardem. Nazywamy tę całość genomem, a mówiąc konkretniej o naszym wypadku – genomem ludzkim.
Nasz genom określa nas aż do najgłębszego poziomu. Taki sam genom występuje w każdej z około 100 000 miliardów komórek tworzących organizmy poszczególnych przedstawicieli gatunku ludzkiego. Jednak sięga on jeszcze głębiej. Jego bardziej indywidualne cechy, miriady drobnych odmian, posiadane przez nas wszystkich i stanowiące wyłącznie osobiste przymioty, kryją w sobie samą esencję naszej jaźni. Wszystkie te właściwości stanowią nasz wkład genetyczny i dziedziczny we własne potomstwo, a poprzez nie – w całość ewolucyjnego dziedzictwa naszego gatunku. Znajomość tego faktu oznacza w najbardziej osobistym sensie świadomość, co to znaczy być człowiekiem. Na całym świecie nie ma dzisiaj dwóch ludzi o takich samych genomach. Nawet u bliźniąt jednojajowych, poczętych z identycznymi genomami, do czasu narodzin powstają drobne różnice genetyczne, które mogą lokować się w częściach genomów niekodujących w istocie tego, co zwykle nazywamy genami.
Jak dziwnie jest uświadomić sobie, że nasz osobisty genom zawiera w rzeczywistości coś więcej niż tylko same geny. Jednak odłóżmy na chwilę na bok takie szczegóły i skupmy się na kwestii ogólniejszej. Jak stosunkowo prosty kod chemiczny mógł dać początek złożoności człowieka? W jaki sposób wyewoluował genom ludzki? Jak naprawdę działa? Po zadaniu tych pytań natychmiast stajemy w obliczu tajemnic.
Żeby odpowiedzieć na te pytania, musimy zgłębić podstawową strukturę genomu, jego systemy operacyjne oraz mechanizmy ekspresji i sterowania. Niektórzy czytelnicy mogą zareagować niedowierzaniem. Czyż taki przedmiot rozważań nie zapowiada wyprawy w świat niezwykłej złożoności, o wiele za bardzo skomplikowanej i naukowej jak na możliwości niebędącego naukowcem czytelnika? W istocie zaś ta książka jest przeznaczona właśnie dla takich czytelników. Jak się przekonamy, podstawowe fakty dość łatwo pojąć, a kluczem do tego jest rozbicie rozważań na szereg prostych i nadzwyczaj logicznych etapów. Nasza podróż wiedzie przez ciąg niesamowitych odkryć dotyczących ludzkiej historii – nawet w bardzo odległą przeszłość naszych przodków oraz prehistoryczne czasy prowadzonej przez nich eksploracji tej życiodajnej planety.
Nasze rozważania dadzą też początek innym, równie ważnym pytaniom. Jak na przykład ten niezwykły byt nazywany przez nas genomem ludzkim umożliwia ludziom reprodukcję – zapłodnienie matczynej komórki jajowej ojcowskim plemnikiem? Jak steruje zakrawającym na cud rozwojem zarodka w łonie matki? Jeśli jednak powrócimy na chwilę do kwestii ogólnych, zyskamy pewność, że ważnym elementem i zasadniczą istotą naszego genomu jest pamięć – na przykład pamięć całości genetycznego dziedzictwa wszystkich ludzi. Jak właściwie genom dokonuje tego niesamowitego wyczynu pamięci? Wiemy już, że ów chemiczny cud nazywany przez nas DNA działa niczym kod, ale jak kod może przypominać sobie złożone instrukcje prowadzące do tworzenia komórek, tkanek i narządów, a po ich powstaniu do uruchomienia ich funkcji w ramach jednej, skoordynowanej całości, składającej się na organizm człowieka? Dopiero od niedawna zaczęliśmy się mierzyć z tajemnicami genomu ludzkiego. Jak ta niezwykła struktura pozyskuje ów program obdarzający rosnące dziecko cudem mowy, nadającym mu związane z nim zdolności nabywania umiejętności, pisania i uczenia się, umożliwiający noworodkowi dojrzewanie i przeistoczenie się w przyszłości w osobę dorosłą, która następnie ponownie powtarza ten cykl, gdy z kolei sama staje się rodzicem?
Cud polega na tym, że to wszystko może być zawarte w drobnych skupiskach związków chemicznych, do których należy (choć niewyłącznie) główna cząsteczka zwana kwasem dezoksyrybonukleinowym, w skrócie DNA3. Ów chemiczny kod w jakiś sposób zawiera zapis genetycznych instrukcji tworzenia naszego organizmu. Musi być weń wbudowany potencjał indywidualnej swobody myśli oraz inwencji, umożliwiający wszelkie rodzaje kreatywności: artystycznej, matematycznej i naukowej. Daje on również początek temu, co każdy z nas z natury uważa za swoją osobistą, nienaruszalną „jaźń”. W jakiś sposób taka sama konstrukcja „jaźni” umożliwiła powstanie geniuszu Mozarta, Picassa, Newtona czy Einsteina. Nic dziwnego, że spoglądamy na tę skarbnicę potencjału z respektem. Nie dziwi również ludzkie dążenie do zrozumienia tej tajemnicy, tkwiącej w samym sednie naszego bytu.
Dopiero niedawno pojęliśmy genom ludzki na tyle głęboko i szczegółowo, żeby móc zebrać w jedno jego cudowną historię – na przykład odkryć, że kryje się w nim coś więcej niż tylko sam DNA. Postaram się przekazać tę historię w niniejszej książce.
Przed kilku laty wygłosiłem w King’s College London wykład na podobny temat. Przewodniczący posiedzenia zadał mi pytanie, czy zamierzam napisać o tym książkę. Kiedy potwierdziłem, poprosił, żebym ujął ją w takich słowach, by czytający ją laik – taki jak on sam – mógł ją bez trudu pojąć.
„Jak dalece prostym językiem, pańskim zdaniem, powinienem ją napisać?”.
„Chciałbym, żeby kierował się pan założeniem, że ja – pański czytelnik – na początku w ogóle nic nie wiem”.
Wówczas obiecałem tak postąpić. Nie będzie zatem w książce skomplikowanego, naukowego języka, żadnych wzorów matematycznych ani chemicznych, ani pozbawionego objaśnień żargonu, zamieszczę też nie więcej niż garść prostych ilustracji. Zamiast tego zacznę od prostych reguł z założeniem, że czytelnicy książki słabo znają się na biologii lub genetyce. Nawet niebiolodzy mogą jednak sobie przypomnieć liczne niespodzianki towarzyszące obwieszczeniu światu w 2001 roku pierwszej, roboczej wersji genomu ludzkiego. Dokonane od tamtego czasu odkrycia potwierdziły, że znaczna jego część pod względem ewolucji, struktury i funkcjonowania bardzo odbiega od naszych wcześniejszych wyobrażeń. Wspomniane niespodzianki nie umniejszają znaczenia bogactwa zgromadzonej wcześniej wiedzy, ale raczej – jak wszystkie wielkie odkrycia naukowe – je potęgują. Dzięki tej nowej wiedzy ludzkość wkroczyła w erę, którą uważam za złoty wiek oświecenia genetycznego i genomicznego, co przekłada się już na sukcesy w wielu istotnych dziedzinach, od medycyny aż po znajomość ludzkiej prehistorii. Myślę, że ogół społeczeństwa zasługuje na zrozumienie tych zagadnień i ich obiecujących perspektyw na przyszłość.

Rozdział 1
Któż by to odgadł?

Ten ważny i rozległy problem sformułować można następująco: jak fizyka i chemia wyjaśnić mogą wydarzenia zachodzące w czasie i w przestrzeni, odbywające się wewnątrz żywego organizmu?
Erwin Schrödinger

W kwietniu 1927 roku młody Francuz René Jules Dubos przybył do nowojorskiego Instytutu Badań Medycznych Rockefellera (Rockefeller Institute for Medical Research) z misją, która na pozór mogła wyglądać na beznadziejną. Dubos, wysoki okularnik, niedawny absolwent Uniwersytetu Rutgersa w stanie New Jersey z doktoratem z mikrobiologii gleby, odznaczał się niezwykłym, filozoficznym podejściem do nauki. Prace wybitnego rosyjskiego mikrobiologa gleby Siergieja Winogradskiego przekonały go, że badanie bakterii w probówkach i hodowlach laboratoryjnych to strata czasu. Dubos uważał, że jeśli naprawdę chce się zrozumieć bakterie, należy wyjść z pracowni i badać je tam, gdzie rzeczywiście bytują i wchodzą w reakcje ze sobą nawzajem i w ogóle ze światem żywym – na polach i w lasach, czyli w przyrodzie.
Po ukończeniu Uniwersytetu Rutgersa Dubos nie miał żadnego zajęcia. Złożył w Narodowej Radzie Badań Naukowych (National Research Council Fellowship) wniosek o subwencję na badania naukowe, ale spotkał się z odmową, gdyż nie był Amerykaninem. Jednak na marginesie pisma z odmową ktoś ręcznie nagryzmolił doń notkę. Dubos później rozmyślał nad faktem, że wiadomość została napisana kobiecą ręką, prawie na pewno po namyśle wpisała ją z dobrego serca sekretarka z biura instytucji. Notka brzmiała następująco: „Może zwróciłby się Pan o radę i pomoc do Pańskiego słynnego rodaka, dr. Alexisa Carrela z Instytutu Rockefellera?”. Dubos posłusznie napisał do Carrela, to zaś sprawiło, że w kwietniu 1927 roku znalazł się w stojącym na nabrzeżu East River gmachu przy York Avenue.
Młody badacz nic nie wiedział ani o Carrelu, ani w istocie o Instytucie Rockefellera, po przybyciu na miejsce więc ku swemu zaskoczeniu dowiedział się, że jego rozmówca jest chirurgiem naczyniowym. Dubos nie miał akademickiego wykształcenia medycznego, Carrel zaś kompletnie nie znał się na drobnoustrojach bytujących w glebie. Rezultat ich rozmowy był aż nazbyt łatwy do przewidzenia: Carrel nie był w stanie pomóc młodemu mikrobiologowi. Skończyli pogawędkę w porze obiadowej, zatem starszy naukowiec wyświadczył młodszemu uprzejmość, zapraszając go na obiad w kantynie instytutu, co dla głodnego Francuza było propozycją tym bardziej atrakcyjną, że serwowano tam świeżo upieczony chleb.
Całkowicie przypadkowo, jak się zdaje, Dubos zasiadł za stołem obok niskiego, szczupłego jegomościa z kopulastą łysiną, który grzecznie odezwał się do niego z kanadyjskim akcentem. Nazywał się Oswald Theodore Avery. Chociaż Dubos później wyznał, że na temat Avery’ego wiedział równie mało, co o Carrelu, profesor Avery (jego bliscy współpracownicy nazywali go „Fess”) był w swojej dziedzinie – mikrobiologii medycznej – wybitną postacią. Ich spotkanie miało się okazać ważne dla historii biologii oraz medycyny.
Avery później zatrudnił Dubosa w charakterze asystenta naukowego, co zaowocowało odkryciem przez Francuza pierwszych antybiotyków pochodzących od drobnoustrojów bytujących w glebie. Tymczasem Avery powiódł swój szczupły zespół – zajmujący się, jak to ujął, „drobną chemią kuchenną” – na kolejne, całkowicie inne poszukiwania, które pomogły znaleźć klucz do wyjaśnienia dziedziczności. Dlaczego zatem większość ludzi wie niewiele albo zgoła nic o tym wizjonerskim naukowcu? Żeby zrozumieć tę sytuację, musimy cofnąć się w czasie i poznać samego człowieka oraz problemy, z jakimi musiał się zmagać ponad siedemdziesiąt pięć lat temu5.

*

W 1927 roku, kiedy Dubos po raz pierwszy spotkał Avery’ego, reguły dziedziczenia były jeszcze słabo poznane. Termin „gen” wprowadził do nazewnictwa dwie dekady wcześniej duński genetyk Wilhelm Johannsen. Co ciekawe, Johannsen przyjął niejednoznaczną koncepcję jednostki dziedziczności, znaną pod nazwą „pangenu”; teorię pangenezy pierwszy zaproponował sam Karol Darwin. Johannsen zmodyfikował tę koncepcję w taki sposób, by objąć nią odkryte poniewczasie pionierskie prace Gregora Mendla, pochodzące z XIX wieku.
Czytelnicy być może znają historię Mendla – palącego cygara i przypominającego braciszka Tucka opata klasztoru Augustianów w Brnie na Morawach (obecnie w Czechach) – który genialnie przeprowadził oryginalne badania nad krzyżówkami groszku, hodowanymi w klasztornym ogrodzie warzywnym. W trakcie tych badań Mendel odkrył podstawy reguł znanych obecnie jako prawa dziedziczenia. Badacz stwierdził, że pewne charakterystyczne cechy groszku są przekazywane roślinom potomnym w przewidywalny sposób. Cechy te obejmowały dużą wysokość lub karłowatość roślin, obecność lub brak barw: żółtej lub zielonej w zabarwieniu kwiatów lub pachwinach liści, a także pomarszczonej lub gładkiej skórki ziaren groszku. Przełomowe odkrycie Mendla polegało na uświadomieniu sobie, że dziedziczność ma swoją siedzibę w komórkach płciowych roślin – co później rozszerzono na wszystkie organizmy żywe – w postaci odrębnych pakietów informacji, które w jakiś sposób kodują określone właściwości fizyczne, czyli „cechy”. Johannsen ukuł termin „gen” na określenie mendlowskiego pakietu informacji dziedzicznej. Mniej więcej w tym samym okresie wojowniczy naukowiec brytyjski, William Bateson, uogólnił pojęcie „gen” i objął nim dyscyplinę nauki zajmującą się zgłębianiem istoty i mechanizmu działania dziedziczności, którą zaczął nazywać „genetyką”.
Jeśli dzisiaj odwiedzimy stronę internetową z bezpłatnym słownikiem, znajdziemy tam następującą definicję genu: „Podstawowa fizyczna jednostka dziedziczności; liniowa sekwencja nukleotydów, leżąca wzdłuż odcinka DNA, dostarczająca zakodowanych instrukcji syntezy RNA, które – po translacji na sekwencję białka – prowadzą do ekspresji cechy dziedzicznej”. Jednak Mendel nie miał pojęcia o genach jako takich i na pewno nic nie wiedział o DNA. Jego odkrycia, opublikowane w mało poczytnych czasopismach, przez czterdzieści lat popadały w zapomnienie, zanim odkryto je na nowo i pełniej zrozumiano ich znaczenie. Jednak z czasem jego idea odrębnych pakietów dziedziczności, które obecnie nazywamy genami, pomogła znaleźć wyjaśnienie bardzo ważnej zagadki medycznej: jak pewne choroby powstają wskutek zaburzeń dziedziczenia.
Wiemy obecnie, że geny to cegiełki dziedziczności, przypominające w dużej mierze atomy, które są fizycznymi jednostkami budującymi świat fizyczny. Jednak w pierwszych dekadach XX wieku nikt naprawdę nie miał pojęcia, z czego geny są zbudowane ani jak działają. Mimo to tu i ówdzie uczeni zaczęli je dogłębniej badać, śledząc ich ekspresję fizyczną podczas formowania się zarodków albo ich rolę jako czynników przyczynowych chorób dziedzicznych. Modelem eksperymentalnym pionierskich badań, które prowadził w swojej chicagowskiej pracowni Thomas Hunt Morgan, stała się muszka owocowa, u której naukowcy lokalizowali geny jeden po drugim w strukturach zwanych chromosomami, znajdujących się w jądrach komórek płciowych owada. Zajmująca się genetyką roślin Barbara McClintock potwierdziła, że tak samo dzieje się w świecie botaniki. McClintock opracowała techniki umożliwiające biologom uwidacznianie u kukurydzy prawdziwych chromosomów, co doprowadziło do przełomowego odkrycia – stwierdzono, że podczas tworzenia się męskich i żeńskich komórek płciowych odpowiadające sobie wzajemnie, czyli „homologiczne” chromosomy obojga rodziców ustawiają się naprzeciw siebie, po czym wymieniają między sobą podobne fragmenty, w wyniku czego potomstwo dziedziczy mieszankę dziedzicznych cech obojga rodziców. To osobliwe zjawisko genetyczne (nazywane „rekombinacją homologiczną podczas rozmnażania płciowego”) wyjaśnia różnice widoczne u rodzeństwa.
Na początku lat trzydziestych XX wieku naukowcy prowadzący badania w dziedzinie biologii i medycyny wiedzieli, że geny to w istocie jednostki fizyczne, chemiczne pakiety informacji, uszeregowane wzdłuż chromosomów niczym paciorki naszyjnika. Innymi słowy, w myśl swobodnego porównania genom można pojmować jako bibliotekę zakodowanych chemicznie informacji, w której rolę książek odgrywają chromosomy. Odrębne jednostki zwane genami można następnie porównać do oddzielnych słów w książkach. Owe biblioteki mieszczą się w jądrach komórek płciowych – u ludzi w komórce jajowej i plemniku. Wszystkie żywe komórki ludzkie zawierają sterty liczące po 46 książek, powstałe po zsumowaniu kompletów z komórki jajowej i plemnika. To dlatego, że komórki płciowe – komórka jajowa i plemnik – zawierają po 23 chromosomy, w chwili poczęcia dziecka więc dwa zestawy chromosomów rodziców łączą się we wnętrzu zapłodnionej komórki jajowej i przekazują organizmowi potomnemu komplet 46 chromosomów. Jednak rozwikłanie tej wstępnej „tajemnicy dziedziczności” jedynie otworzyło puszkę Pandory z nowymi tajemnicami, gdy przyszło nam zastosować genetykę w odniesieniu do olbrzymiej różnorodności życia na naszej płodnej planecie.
Na przykład czy wszystkie formy życia – od robaków do orłów, od pierwotniaków pełzających w stawowym mule aż do samych ludzi – mają w chromosomach jąder komórkowych takie same rodzaje genów?
Mikroskopijne formy życia, w tym bakterie i archeony, nie przechowują swojego materiału przekazującego cechy dziedziczne w jądrze komórkowym. Należą one do prokariontów, czyli organizmów, które się pojawiły przed wykształceniem się jądra. Wszystkie pozostałe formy życia przechowują materiał umożliwiający dziedziczenie w jądrze i noszą wspólną nazwę „eukarionty”, co oznacza, że mają prawdziwe jądro komórkowe. Dzięki coraz liczniejszym odkryciom wynikającym z badań na muszkach owocowych i roślinach oraz z badań medycznych uznawano za coraz bardziej prawdopodobne – i fascynujące – że wszystkie jądrzaste formy życia łączą pewne głębokie podobieństwa. Jednak czy te same pojęcia genetyczne, takie jak geny, miałyby się stosować do prokariontów rozmnażających się bezpłciowo przez pączkowanie, bez potrzeby korzystania z komórek płciowych? W tamtym okresie wczesnego stadium rozwoju bakteriologii toczyły się nawet debaty, czy bakterie należy w ogóle uważać za formy życia. Naturę zaś wirusów, przeważnie mniejszych od bakterii o kilka rzędów wielkości, nie za bardzo rozumiano.
Wielu naukowców zaczęło z czasem uznawać bakterie za organizmy żywe i klasyfikować je według dwuczłonowego systemu opracowanego przez Linneusza; na przykład zarazek gruźlicy opatrzono nazwą Mycobacterium tuberculosis, a wywołujący czyraki drobnoustrój należący do ziarniaków otrzymał nazwę Staphylococcus aureus6. Oswald Avery, obdarzony niezmiernie konserwatywną osobowością, wolał pozostawić sobie możliwość wyboru i wystrzegał się systemu dwuczłonowego, określając pierwszy z wymienionych wyżej zarazków mianem „prątka gruźlicy”. Na potrzeby naszej opowieści warto zaznaczyć, że Dubos – który poznał Avery’ego lepiej niż jakiegokolwiek innego kolegę po fachu – dostrzegł, iż „Fess” zachowywał podobny konserwatyzm w podejściu do badań laboratoryjnych. Nauka musi trzymać się z purytańskim rygoryzmem tego, co da się logicznie zaobserwować i niezbicie udowodnić w laboratorium.