Nurkując w genomie

Dr Joanna Stojak 29 wrz, 6 minut czytania

Dziś z genomem można spotkać się niemal wszędzie, jednak jego popularność wcale nie przekłada się na zrozumienie pojęcia. Możemy kupić kosmetyki modyfikujące nasz genom, zamówić dietę zgodną z naszym genomem, a jeśli nie potrafimy zmobilizować się do ćwiczeń, wina zapewne także leży po stronie naszego genomu. Odrzućmy jednak modne konwenanse i zajrzyjmy do wnętrza naszego bohatera.

Czym jest genom?

Jest to kompletna informacja genetyczna organizmu i jednocześnie nośnik genów, zapisane w postaci kwasów nukleinowych. Może to być DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) lub RNA (kwas rybonukleinowy). Z kolei informacja genetyczna charakterystyczna dla określonego osobnika (na przykład dla ciebie, drogi czytelniku) to genotyp. Sama nazwa genomu powstała w 1920 roku z połączenia słów „gen” i „chromosom” [1].

U wirusów materiałem genetycznym może być DNA lub RNA, o strukturze liniowej lub kolistej, zawierające informacje niezbędne do replikacji cząsteczek potomnych – syntezy enzymów czy budowy kapsydu (płaszcza białkowego). Genomy wirusów są małe, złożone zaledwie z kilku- kilkunastu genów [2].

Bardziej skomplikowane są genomy bakterii, gdzie geny niezbędne do funkcjonowania i replikacji są ułożone w formie liniowego lub kolistego nukleoidu – podwójnej helisy zawieszonej bezpośrednio w cytoplazmie, bez żadnej dodatkowej ochrony. Niektóre bakterie wyposażone są także w wiele mniejszych kolistych cząsteczek DNA, nazywanych plazmidami, które warunkują pojawianie się nowych cech przystosowawczych, np. odporności na antybiotyki. Co ciekawe, bakterie sprytnie kontaktują się ze sobą i wymieniają „nowinkami genetycznymi”, czyli właśnie nowo nabytymi cechami, zapisanymi w plazmidach. Proces ten może przebiegać w dwojaki sposób – albo na drodze koniugacji, czyli poprzez bezpośredni horyzontalny transfer genów, albo na drodze transformacji, odbywającej się przy pomocy bakteriofagów (wirusów atakujących bakterie, zdolnych do infekcji ściśle określonych gatunków) [2].

Najbardziej skomplikowany genom posiadają oczywiście organizmy eukariotyczne, których materiał genetyczny (DNA) zlokalizowany jest w jądrze komórkowym. Aby było trudniej, każdy gatunek ma charakterystyczną dla siebie i ściśle określoną liczbę chromosomów, w których „upakowany” jest materiał genetyczny. Chromosomy występują w dwóch kopiach, po jednej na każdego z rodziców. Wyjątkiem są rośliny, u których występuje poliploidalność, czyli zwielokrotniona liczba kompletów chromosomów. U zwierząt poliploidyzacja kończy się zawsze śmiercią, ale rośliny wykorzystują ten proces bardzo sprawnie, na przykład w przystosowywaniu się do nowych warunków środowiskowych. Poliploidami są między innymi pszenżyto czy ziemniaki [2].

Jak to ugryźć?

Pierwszym poznanym genomem był genom bakteriofaga MS2 – genom RNA o długości około 3,5 tysiąca par zasad [3]. Pierwszym odkodowanym genomem DNA był z kolei genom bakteriofaga Phi X174 [4]. Tej drugiej analizy dokonał sam Frederick Sanger – tak, ten sam, który opracował metodę sekwencjonowania (a jakże!) Sangera, za którą otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii (drugą w swojej karierze). Pierwszą bakterią, dla której poznano genom była Haemophilus influenzae [5], a pierwszym organizmem eukariotycznym były (nikogo to pewnie nie zdziwi) drożdże piekarskie Saccharomyces cerevisiae [6]. Machina sekwencjonowania genomów ruszyła, ale długo musieliśmy czekać na poznanie genomu człowieka. Konsorcjum zajmujące się tym zadaniem szczyciło się ukończeniem go już w 2000 roku, jednak prawdą jest, że 100% (włączając wszystkie regiony niekodujące czy regulatorowe) odczytano dopiero na początku 2022 roku [7, 8]. Na ten cel przeznaczono setki milionów dolarów. Genom ludzki składa się z 23 par chromosomów (22 diploidalne chromosomy autosomalne i 2 chromosomy płci), koduje ponad 22 tysiące genów i zawiera 3 200 000 000 par zasad. Oprócz DNA jądrowego, posiadamy także genom mitochondrialny – kolistą cząsteczkę zbudowaną z 16 569 par zasad, obecną w naszych mitochondriach (i to nawet w kilkunastu kopiach!) i dziedziczoną jedynie w linii żeńskiej [7, 8].

Współcześnie do sekwencjonowania całych genomów wykorzystuje się sekwencjonowanie następnej generacji (NGS, Next Generation Sequencing), które wprawdzie opiera się na znanej z tradycyjnego sekwencjonowania metodzie Sangera, jednak jest dużo szybsza. Zasada działania zakłada, że cząsteczka polimerazy (enzym) dobudowuje drugą nić DNA na podstawie matrycy – jednoniciowego odcinka sekwencjonowanego DNA. Kolejno wbudowywane nukleotydy generują sygnał odczytywany przez sekwenator. Przed rozpoczęciem sekwencjonowania genomowy DNA należy poddać kontrolowanemu procesowi fragmentacji [9]. Obecnie stosowane są metody opierające się o odczyt krótkich (np. Illumina) lub długich (np. Oxford Nanopore Technologies) fragmentów DNA. Rekord sekwencjonowania został pobity na początku 2022 roku przez zespół badaczy z Uniwersytetu Stanforda – sekwencjonowania (wraz z obróbką bioinformatyczną otrzymanych danych) dokonano w 5 godzin i 2 minuty (metodą długich odczytów, PromethION, Oxford Nanopore Technologies) [10]. Pojawia się jednak pytanie – po co to wszystko?

Po co komu genom?

Poznanie ludzkiego genomu okazuje się przełomowym zdarzeniem, umożliwiającym tworzenie nowych leków i terapii, badanie mechanizmów nowotworzenia i lepszą diagnostykę, np. chorób rzadkich. Poznanie genomu pacjenta oraz identyfikacja zmienności (mutacji) obecnych w tkankach nowotworowych pozwala na opracowywanie personalizowanej terapii celowanej, a tym samym skuteczniejsze leczenie, niszczące tylko te „złe” komórki, oszczędzając komórki zdrowe. Poznanie sekwencji genomu pacjenta odkrywa wszystkie tajemnice jego organizmu, m.in. na jakie czynniki jest odporny lub podatny (zarówno czynniki farmakologiczne, jak i te obecne np. w diecie czy środowisku), czy jest obarczony ryzykiem zachorowania na określone choroby i czy może przekazać je potomstwu [11].

Poznanie ludzkiego genomu pozwala również na wyjaśnianie tajemnic naszej historii ewolucyjnej i analizę drzewa genealogicznego człowieka. Porównanie genomu człowieka współczesnego z genomem naszego bliskiego kuzyna, neandertalczyka ujawniło, że w przeszłości łączyły nas bardzo bliskie stosunki i nawet 3% naszego genomu jest spadkiem po tych spotkaniach [12, 13]. Analizy genetyczne wskazują, że to od neandertalczyków odziedziczyliśmy m.in. odporność na zimno, jasne włosy i niebieskie oczy [12, 13]. Okazuje się, że bardzo ważną rolę w naszej ewolucji odegrały także wirusy.

Wirusy towarzyszyły nam od zawsze, dlatego część z nich specjalizowała się razem z nami, natomiast część została nabyta od innych gatunków małp człekokształtnych i wraz z postępowaniem procesu domestykacji, od udamawianych zwierząt. Badania sugerują na przykład, że to wirusy przyczyniły się do utrzymania różnorodności głównego układu zgodności tkankowej (MHC). Co więcej, okazuje się, że nawet 8% naszego genomu składa się z sekwencji pochodzenia wirusowego – tzw. ludzkich retrowirusów endogennych (HERV). Są to relikty starożytnych infekcji, które tak wpłynęły na linię zarodkową naczelnych, że w ciągu ostatnich 100 milionów lat stały się stabilnymi elementami. Jednym z przykładów jest powstanie łożyska u ssaków, co było możliwe dzięki wbudowaniu w DNA ssaków retrowirusowych genów kodujących syncytyny (białka kapsydu) [14].

Z kolei w sytuacji zagrożenia pandemią pomocne jest szybkie sekwencjonowanie genomu patogenów, w celu opisania mechanizmów ich infekcyjności i opracowania taktyki zapobiegania ich rozprzestrzeniania się (np. produkcja leków i szczepionek). Ciekawostką jest, że odczytanie genomów drobnoustrojów należących do tej samej jednostki taksonomicznej doprowadziło wręcz do powstania nowej koncepcji, nazywanej pangenomem [15]. Pangenom to cały zestaw genów obecnych w grupie przedstawicieli tego samego gatunku, dzielący się na tzw. genom rdzeniowy (geny obecne u wszystkich badanych genomów w grupie, pełniące określone funkcje) i genom zmienny (geny obecne tylko w niektórych badanych genomach, odpowiedzialne np. za specyficzną adaptację) [15].

Natomiast znając genomy roślin i zwierząt możemy poprawić ich użytkowość, na przykład przedłużając ich trwałość, podnosząc ich odporność na warunki środowiskowe (np. suszę), szkodniki i wirusy, zwiększając produktywność (większe ziarna, smaczniejsze owoce, więcej mleka) czy obniżając ilość wydalanego do środowiska metanu. Działania te znacznie obniżają koszty produkcji przy użyciu mniejszych obszarów rolnych, bez nadmiernego nawadniania i obaw o to, że jakiś patogen zdziesiątkuje plony [16].

Podsumowanie

Badanie i poznawanie sekwencji kolejnych genomów pozwala na rozszyfrowanie otaczającego nas świata. Niewątpliwie jednak stanowi wyzwanie w dziedzinie etyki i prawa. Nasz genom jest przepisem na nas i zdradza wszystkie nasze sekrety, stanowiąc dane wrażliwe. Sekwencjonowanie genomów jest coraz tańsze i zaczyna być dostępne dla każdego. Jednak nie oszczędzajmy i nie dajmy się nabrać na promocje, w których zgadzamy się na bankowanie wyników sekwencjonowania naszego genomu w wątpliwych warunkach w zamian za jeszcze niższą cenę.

Dbajmy o nasz genom, o te 1,8 metra podwójnej helisy, 3,2 miliarda literek upakowane w każdej naszej komórce, nie tylko stosując zdrowy tryb życia. Genom to przecież przepis na sukces i ważne, aby te dane były wykorzystywane należycie.

Literatura

[1] Stencel A, Crespi B. 2013. What is a genome? Molecular Ecology 22: 3437-3443.

[2] Brown TA. 2019. Genomy. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.

[3] Fiers W, Contreras R, Duerinck F, Haegeman G, Iserentant D et al. 1976. Complete nucleotide sequence of bacteriophage MS2 RNA: primary and secondary structure of the replicase gene. Nature 260 (5551): 500-507.

[4] Sanger F, Air GM, Barrell BG, Brown NL, Coulson AR et al. 1977. Nucleotide sequence of bacteriophage phi X174 DNA. Nature 265 (5596): 687-695.

[5] Hood DW. 2003. The genome sequence of Haemophilus influenzae. In: Herbert MA, Hood DW, Moxon ER (eds) Haemophilus influenzae Protocols. Methods in Molecular Medicine 71. Humana Press.

[6] Otero JM, Vongsangnak W, Asadollahi MA, Olivares-Hernandes R, Maury J et al. 2010. Whole genome sequencing of Saccharomyces cerevisiae: from genotype to phenotype for improved metabolic engineering applications. BMC Genomics 11: 723.

[7] Venter JC, Adams MD, Myers EW, Li PW, Mural RJ et al. 2001. The sequence of the human genome. Science: 291 (5507): 1304-1351.

[8] Nurk S, Koren S, Rhie A, Rautiainen M, Bzikadze A. V et al. 2022. The complete sequence of a human genome. Science: 376 (6588): 44-53.

[9] McCombie WR, McPherson JD, Mardis ER. 2019. Next-Generation Sequencing Technologies. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine 9 (11): a036798.

[10] Gorzynski JE, Goenka SD, Shafin K, Jensen TD, Fisk DG et al. 2022. Ultrarapid Nanopore Genome Sequencing in a critical care setting. The New England Journal of Medicine 386 (7): 700-702.

[11] Ashley EA. 2021. Geny. Wydawnictwo Filia. Poznań.

[12] Stojak J. 2020. Neandertalczyk – historia prawdziwa. Sprawy Nauki 10 (253), wydanie elektroniczne. http://www.sprawynauki.edu.pl/archiwum/dzialy-wyd-elektron/343-biologia/4380-neandertalczyk-historia-prawdziwa

[13] Green RE, Krause J, Briggs AW, Maricic T, Stenzel U et al. 2010. A draft sequence of the Neandertal genome. Science 328 (5979): 710-722.

[14] Grandi N, Tramontano E. 2018. Human endogenous retroviruses are ancient acquired elements still shaping innate immune responses. Frontiers in Immunology 9: 2039.

[15] Vernikos GS. 2020. A Review of pangenome tools and recent studies. In Tettelin H. (Eds.) et al. The Pangenome: Diversity, Dynamics and Evolution of Genomes, Springer.

[16] Stojak J. 2021. Nie będę jadł genów! Czy żywność modyfikowana genetycznie jest taka straszna, jak ją malują? Genetyka. Fakty i Mity 4 (12), wydanie elektroniczne. https://genetyka.bio/nie-bede-jadl-genow-czy-zywnosc-modyfikowana-genetycznie-jest-taka-straszna-jak-ja-maluja/

 


Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach.
Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂
Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG

Postaw mi kawę na buycoffee.to


Podziel się: