/

Co nam dało odkrycie struktury DNA?

avatar
Dr Joanna Stojak 26 Kwi, 7 minut czytania

DNA znają wszyscy. Nawet jeśli nie w szczegółach, to każdy o nim słyszał. DNA traktuje się jako argument nie do zbicia. Coś w nim jest, nie moja wina i basta! DNA to jednak znacznie więcej, to cząsteczka do zadań specjalnych!

Mała wielka cząsteczka

Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) został odkryty w roku 1869 przez Fryderyka Mieschera, ale nie znano jego struktury jeszcze przez prawie kolejnych 100 lat [1]. Zagadkę rozwiązali James Watson i Francis Crick w 1953 roku [2]. Jednak to Rosalind Franklin wykonała przełomowe zdjęcia rentgenowskie cząsteczki DNA, a Maurice Wilkins przekazał rentgenogramy Watsonowi i Crickowi bez wiedzy i zgody Rosalind. Nagrodę Nobla również dostał Wilkins, jako mężczyzna i szef (argumenty nie do zbicia). Warto o tym pamiętać, bo to niesprawiedliwe, że po tylu latach, mimo iż znamy prawdę, wciąż zapominamy o tej kobiecie.

DNA zazwyczaj przyjmuje kształt prawoskrętnej podwójnej helisy. Oznacza to, że cząsteczka DNA składa się z dwóch pojedynczych łańcuchów, ułożonych antyrównolegle do siebie (czyli początek jednej nici łączy się z końcówką drugiej nici). Łańcuchy te zwijają się wokół wspólnej osi. Z czego zbudowany jest taki łańcuch? Jest to rząd powtarzających się fragmentów, w których skład wchodzi pięciowęglowy cukier deoksyryboza, reszta fosforanowa i jedna z czterech zasad azotowych: purynowa (adenina lub guanina) lub pirymidynowa (cytozyna lub tymina). Te cztery literki (A, G, C i T) są alfabetem DNA i ich kolejność koduje poszczególne aminokwasy, a w konsekwencji białka, które ostatecznie są przepisem na każdy, nawet najmniejszy organizm na świecie. Dlatego każdy z nas genetycznie jest wyjątkowy. A ten, kto ma dostęp do naszego DNA, wie o nas wszystko.

Nowotwory stare jak świat

Syberyjska księżniczka z Ukoku, wyciągnięta całkiem niedawno z wiecznej zmarzliny gór Ałtaju, miała zaledwie 25 lat, gdy pokonał ją rak piersi (ból uśmierzała… konopią!). Wspominana już Rosalind Franlin zmarła w wieku 37 lat na nowotwór jajnika, który był prawdopodobnie spowodowany długotrwałą ekspozycją na promieniowanie, na które była narażona podczas wykonywanych w pracy eksperymentów. Dziś, dzięki temu, że znamy strukturę DNA, coraz lepiej rozumiemy przyczyny powstawania nowotworów i coraz skuteczniej potrafimy z nimi walczyć lub im zapobiegać.

Wiadomo – najlepsza jest profilaktyka. Szacuje się, że każdy z nas jest nosicielem nawet 10 mutacji, które mogą warunkować jedną z ponad 7 tysięcy chorób genetycznych. Znanych jest również wiele genów, które predysponują do zwiększonego ryzyka zachorowania na określony nowotwór złośliwy. Nosiciele takich wadliwych genów są obciążeni kilka lub kilkanaście razy większym ryzykiem zachorowania niż inni. Oczywiście nie każda zmiana ma znaczenie kliniczne i jest groźna dla zdrowia. Szacuje się, że nawet 5-10% wszystkich chorób nowotworowych jest dziedzicznych (przekazywanych z pokolenia na pokolenie).

Jednym z najbardziej znanych są geny BRCA1 i BRCA2, odpowiedzialne za większe ryzyko zachorowania na raka piersi i raka jajników [3]. Badania genetyczne pozwalają wykryć ewentualne mutacje w tych genach i tym samym sprawdzić czy są one uszkodzone. Identyfikacja uszkodzeń umożliwia wczesną profilaktykę i objęcie nosicielki obserwacją onkologiczną. Statystyki podają, że kobiety w Polsce są obarczone 6% ryzykiem zachorowania na raka piersi i 2% ryzykiem zachorowania na raka jajnika. Uszkodzony gen BRCA1 zwiększa to ryzyko dziesięciokrotnie [4; dane GUS: www.stat.gov.pl; Krajowy Rejestr Nowotworów: onkologia.org.pl]!

Większość zmian nowotworowych jest wynikiem bardziej skomplikowanych procesów, w których uczestniczy nie tylko nasz genom, ale i działające na niego czynniki środowiskowe, styl życia, stres. Obecnie znanych jest ponad 170 genów, które mogą być powiązane z rozwojem różnych chorób, nie tylko nowotworowych. Dzięki rozwojowi biologii molekularnej dziś możliwe jest „przejrzenie” całego genomu, przeskanowanie go pod kątem ponad kilku tysięcy zmian nukleotydowych, znacznie poprawiając diagnostykę nowotworów.

Wiedza o tym jak wygląda i jak działa DNA rewolucjonizuje także leczenie. Molekularne terapie celowane uderzają tylko w komórki nowotworowe, oszczędzając niczemu winne zdrowe komórki. Terapie genowe polegają na wprowadzeniu do komórki cząsteczki DNA lub RNA z wyselekcjonowaną informacją genetyczną, zmuszającą organizm do określonej reakcji i wytworzenia efektu terapeutycznego. Jak? Na przykład wybrane komórki zaczynają produkować białka, których organizmowi brakuje albo takie, które zmuszą komórki nowotworowe do samobójczej śmierci (tzw. apoptozy). Inną metodą jest zwiększanie/ włączanie ekspresji nieaktywnych białek lub zmniejszanie/ hamowanie ekspresji genów w komórkach nowotworowych [5, 6].

To nie koniec zastosowań wiedzy o DNA w medycynie. Inżynieria genetyczna potrafi wyprodukować syntetyczną insulinę, tak ważną w leczeniu cukrzycy, czy pozyskać znaczne ilości artemizyny, jedynego skutecznego leku na malarię [8, 9]. Nie można zapomnieć również o szczepionkach i syntetycznych antybiotykach.

DNA na talerzu

Jesteś tym, co jesz. Zróżnicowana i bogata w niezbędne składniki dieta jest niezwykle ważnym czynnikiem wpływającym na nasze zdrowie. Dlatego tak ważne jest co ląduje nam na talerzu. Zmiany klimatu istotnie wpływają na rolnictwo, w którym ważne jest pozyskanie jak największych plonów dobrej jakości. I tutaj pomaga inżynieria genetyczna, dzięki której hodowane rośliny mogą być odporne na suszę, insekty, herbicydy czy wirusy, które niszczą plantacje. Dodatkowo, produkowana żywność może być dzięki genetyce wzbogacana o dodatkowe, niezbędne składniki.

Doskonałym przykładem jest złoty ryż, który syntetyzuje w bielmie nasion betakaroten, będący prowitaminą A [9]. Złoty ryż powstał z myślą o niedożywionych mieszkańcach krajów rozwijających się (m.in. Filipin, Indii, Chin czy Wietnamu), przez których ubogą dietę poważny problem w ich populacji stanowi ślepota zmierzchowa, będąca wynikiem niedoborów witaminy A. Podobne modyfikacje wprowadzono w sorgo, stanowiącym podstawę diety w krajach afrykańskich [10]. Dzięki zawartości dodatkowych witamin i metali nowa odmiana sorgo może zmniejszyć niedobory mikroelementów u spożywającej je ludności, a większa odporność na niekorzystne warunki środowiskowe może zredukować problem głodu.

Mówiąc o diecie warto wspomnieć o nutrigenomice, która bada wpływ bioaktywnych składników występujących w żywności na ekspresję genów, które mogą warunkować choroby. Oznacza to, że… można sobie dobrać dietę do naszego genomu. Podobno taka „dieta cud” nie tylko polepszy nasze samopoczucie i zapobiegnie powstaniu ewentualnych chorób, ale i pomoże wygrać z… otyłością! W naszych genach mamy informację o tym, czego nie trawimy, jakie mamy tempo metabolizmu i czy posiadamy gen otyłości, który jest odpowiedzialny za składowanie tłuszczu w komórkach. A że tutaj również bardzo ważny jest nasz styl życia i środowisko, posiadanie genu otyłości nie jest wyrokiem. Gen ten zidentyfikowano u osób szczupłych, a i nie wszystkie osoby borykające się z nadwagą go posiadały [11, 12].

W ławie oskarżonych

Po raz pierwszy wykorzystano DNA w kryminalistyce w roku 1986 przez brytyjską policję. Profil podejrzanego nie był zgodny z profilem sprawcy i dzięki temu podejrzany został uniewinniony. Rok później DNA było dowodem w sprawie, w którym podejrzanego uznano winnym [13]. Początkowo metoda ta wzbudzała nieufność, dziś trudno wyobrazić sobie kryminalistykę bez analiz DNA.

Nasz materiał genetyczny jest specyficzny jak odcisk palca i znajduje się on we wszystkich komórkach naszego organizmu. I bardzo łatwo go gubimy, często nawet nie będąc tego świadomymi. Prof. Alec Jeffreys wyliczył, że prawdopodobieństwo przypadkowego posiadania przez dwie osoby takiego samego profilu DNA wynosi około 1:30 miliardów. Przy 7 miliardach ludzi jest to zatem trudne do spełnienia. Dzięki DNA można zatem udowodnić komuś i morderstwo, i ojcostwo [13, 14].

Kryminalistyka wykorzystuje tylko niekodujący DNA, zazwyczaj krótkie, powtarzalne sekwencje. Ważne jest jednak gdzie ślad biologiczny został zabezpieczony i czy zawarty w nim DNA nie został zniszczony. Kwas deoksyrybonukleinowy jest bowiem bardzo wybredny i wiele czynników go degraduje: wysoka temperatura, wilgoć, kwasy i zasady, detergenty, metale ciężkie czy promieniowanie UV. Ważne jest także, żeby nie doszło do kontaminacji (zanieczyszczenia) zebranych śladów, na przykład innym DNA. Jak wiemy, w radiowozach przemieszcza się wiele osób, a każda osoba to nowy, wyjątkowy profil DNA [13, 14].

Inną ważną kwestią jest posiadanie materiału porównawczego, czyli drugiej próbki DNA, pobranej od osób podejrzanych i osób, które przebywały w miejscu zebrania śladów biologicznych. Pozwoli to wykluczyć osoby postronne i zweryfikować winę podejrzanego. Materiał porównawczy zazwyczaj pobiera się w postaci wymazu ze śluzówki policzka, co nie jest zabiegiem ani bolesnym, ani inwazyjnym, a dostarcza bardzo dużo DNA doskonałej jakości. Podczas śledztwa DNA musi być traktowany z uwagą i po królewsku. Każda kontaminacja czy podejrzenie pomyłki podczas przechowywania śladów biologicznych może drogo kosztować – można skazać osobę niewinną albo można stworzyć wątpliwości, które powinny być zawsze rozstrzygane na korzyść podejrzanego.

Historia wszystkiego

DNA skrywa wiele tajemnic i pozwala rozwikłać mnóstwo zagadek, nie tylko tych kryminalnych. Dzięki badaniom zmienności genetycznej można odtworzyć historię ewolucyjną różnych gatunków, w tym oczywiście przeszłość Homo sapiens. Epidemiologia wykorzystuje te metody do odtwarzania dróg rozprzestrzeniania się chorób, przebiegu epidemii w przeszłości i prognozuje jak współcześnie mogą mutować czynniki chorobotwórcze (wirusy, szczepy bakterii).

W 1996 roku narodził się pierwszy sklonowany metodą transplantacji jąder komórkowych ssak – owca Dolly [15]. Jak przeprowadzono zabieg klonowania molekularnego? Z gruczołu mlekowego sześcioletniej owcy pobrano komórki somatyczne. Wyizolowano z nich jądro komórkowe i przeniesiono do pozbawionych wcześniej własnego jądra komórek jajowych innej owcy. Nikt nie wierzył, że eksperyment się uda i mimo iż zwierzę nie żyło zbyt długo, wydarzenie to stanowiło przełom. Dziś dyskutuje się o klonowaniu ludzi i wykorzystywaniu inżynierii genetycznej do pozyskiwania idealnych dzieci skrojonych na miarę czy nieustraszonych i nadzwyczaj wytrzymałych żołnierzy. Wzbudza to bardzo dużo kontrowersji.

DNA może też czasem stanowić niezłą wymówkę. Badania nad dwoma gatunkami norników, prowadzone przez zespół naukowców z Emory University w Atlancie wykazał, że predyspozycje do zdrady w związku mogą być wynikiem… mutacji w genie związanym z działaniem wazopresyny w mózgu [16]! Norniki preriowe (Microtus ochrogaster) tworzą stałe, długoterminowe związki, zachowując wierność partnerom. Samce dbają o potomstwo, pilnują swoich rodzin i zachowują się bardzo agresywnie, gdy inny samiec próbuje zbliżyć się do ich partnerki. Z kolei samce norników łąkowych Microtus pennsylvanicus prowadzą dość swobodny tryb życia, mnożą się na potęgę z wieloma samicami i nie interesuje ich rola ojca. Przeniesienie genu „wierności” do niewiernych gryzoni zmieniło ich zachowania społeczne – zaczęły wchodzić w stałe związki! Nie wiadomo czy u człowieka również zachodzą podobne mechanizmy, ale być może niektórzy z nas to naprawdę genetycznie zimne dranie. Może „chęć na zdradę” da się wyleczyć?

Podsumowanie

Z pozoru prosta nić DNA ma olbrzymi, wciąż nie do końca poznany potencjał. Dzięki alternatywnemu splicingowi (źródło zmienności białek, proces podczas którego różne sekwencje kodujące, tzw. egzony, łączą się ze sobą w na różne sposoby, niekoniecznie po kolei) i licznym mechanizmom epigenetycznym jedna sekwencja może być przetłumaczona na wiele różnych sposobów. DNA nie tylko koduje informację o organizmie, ale i reaguje na działające na niego czynniki środowiskowe.

Inżynieria genetyczna wzbudza sporo kontrowersji, jednak nie tylko sam fakt wykonywania modyfikacji powinien skłaniać do zadawania pytań o etyczny aspekt otrzymywanych produktów. Fantastycznie byłoby znaleźć wszystkie wspaniałe leki – na raka, na otyłość, na śmierć, na głupotę. Należy jednak zadać sobie pytanie kogo byłoby na nie stać (no bo przecież nie każdego), kto by na nich zarobił (no bo przecież nie naukowcy) i czy na pewno ich wynalezienie uczyniłoby świat lepszym i rozwiązało wszystkie nasze problemy.

 

 

Literatura

[1] Dahm R. 2008. Discovering DNA: Friedrich Mieschner and the early years of nucleic acid reseach. Human Genetics 122: 565-581.

[2] Watson J.D., Crick F.H.C. 1953. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 171: 737-738.

[3] Petrucelli N., Daly M.B., Pal T. 1998. BRCA1- and BRCA2-associated hereditary breast and ovarian cancer. In: Adam M.P., Ardinger H.H., Pagon R.A., et al., editors. GeneReviews [Internet]. Seattle (WA): University of Washington, Seattle, 1993-2020.

[4] Fackenthal J.D., Olopade O.I. 2007. Breast cancer risk associated with BRCA1 and BRCA2 in diverse populations. Nature Reviews Cancer 7: 937-948.

[5] Keeler A.M., ElMallah M.K., Flotte T.R. 2017. Gene therapy 2017: progress and future directions. Clinical and Translational Science 10(4): 242-248.

[6] Lundstrom K. 2019. Gene therapy today and tomorrow. Diseases 7(2): 37.

[7] Birtwell A.J., Owens D.R., Jones I.R., Hayes T.M., Beale D.J., el-Shaboury A.H., Arora P., Reeves W.G. 1984. Comparison of highly purified semi-synthetic insulin and highly purified porcine insulin in the treatment of type I diabetes: interim report of a multi-centre randomised single blind study. Diabetes and Metabolism 10(5): 295-298.

[8] Hommel M. 2008. The future of artemisinins: natural, synthetic or recombinant? Journal of Biology 7(10): 38.

[9] Tang G., Qin J., Dolnikowski G.G., Russell R.M., Grusak M.A. 2009. Golden Rice is an effective source of vitamin A. The American Journal of Clinical Nutrition 89(6): 1776-1783.

[10] Botha G.M., Viljoen C.D. 2008. Can GM sorghum impact Africa? Trends in Biotechnology 26(2): 64-69.

[11] McPherson R. 2007. Genetic contributors to obesity. Canadian Journal of Cardiology 23 (Suppl A): 23A-27A.

[12] Sharma P., Dwivedi S. 2017. Nutrigenomics and nutrigenetics: new insights in disease prevention and cure. Indian Journal of Clinical Biochemistry 32(4): 371-373.

[13] Hołyst B. 2010. Kryminalistyka. Warszawa.

[14] Butler J.M. 2015. The future of forensic DNA analysis. Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences 370(1674): 20140252.

[15] Loi P., Czernik M., Zacchini F., Iuso D., Scapolo P.A., Ptak G. 2013. Sheep: the first large animal model in nuclear transfer research. Cellular reprogramming 15(5): 367–373.

[16] Burkett J.P., Andari E., Johnson Z.V., Curry D.C., de Waal F.B., Young L.J. 2016. Oxytocin-dependent consolation behavior in rodents. Science 351(6271): 375-378.

Podziel się: