Czy genom to tylko geny?

mgr inż. Marek Kowalczyk

Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie

Zsekwencjonowanie ludzkiego genomu było jednym z największych osiągnięć biologii molekularnej, które oprócz wielu odpowiedzi przyniosło jeszcze więcej pytań. Ile właściwie mamy genów? Co jeszcze wchodzi w skład naszego DNA? Na ile nasz genom jest jednoznacznie zdeterminowany a na ile plastyczny?

Lata jakie upłynęły odpoznania sekwencji pierwszego ludzkiego genomu były bardzo interesujące i przyniosły wiele zaskakujących wiadomości. W dużym uproszczeniu DNA to ciąg połączonych ze sobą deoksyrybonukleotydów, które mogą być zgrupowane w geny. Sekwencja nukleotydowa jest transkrybowana na mRNA, a następnie w wyniku translacji przepisywana na sekwencję aminokwasową, która wyniku obróbki potranslacyjnej i dojrzewania staje się cząsteczką efektorową – białkiem.  Proteiny są zarówno budulcem (kolagen), transporterem (hemoglobina) oraz regulatorami i przekaźnikami (hormony i enzymy). Jasnym jest więc że genom zawiera informację o budowie wszystkich białek organizmu. Ale czy tylko? Zarówno neuron, hepatocyt, limfocyt czy komórka nabłonkowa posiadają identyczne DNA, skąd więc wynika fakt, że są różne morfologicznie i strukturalnie? Genom to nie tylko zapis informacji, ale też w dużej mierze instrukcja jak tę informację odczytać i wyrazić.

Nie do końca śmieciowe DNA

Genom człowieka składa się z ponad 3 miliardów par zasad, według wstępnych przypuszczeń liczbę genów oszacowano na około 100 000, jednak szybko okazało się że jest ich znacznie mniej bo około 20 000-30 000 (Pennisi, 2012). Jeszcze bardziej zaskakujący okazał się fakt że białka są kodowane przez zaledwie 1-2% naszego genomu (Collins et al., 2004; Pennisi, 2010). Czym zatem jest i do czego potrzebne jest więc pozostałe 98%?

Przeważająca część genomu wydaje się zwykłym balastem, która nie odgrywa żadnej roli, ten pozornie zbędny materiał genetyczny szybko, bo już w latach 60. zyskał miano ,,śmieciowego DNA”. Termin ten pierwotnie odnosił się tylko do niefunkcjonalnych kopii genu uszkodzonych na drodze mutacji, jednak szybko do tej grupy zaczęto zaliczać każde DNA które nie odgrywało żadnej widocznej funkcji biologicznej (Palazzo and Gregory, 2014). Obecnie niewielu badaczy uznaje termin za zgodny ze stanem faktycznym, dziś wiemy że genom jest nierozerwalną integralną całością, która nie tylko koduje informacje ale też decyduje o sposobie jej ekspresji. Samo niekodujące DNA nie jest jednorodne, dzięki czemu cały genom jest bardzo dynamicznym środowiskiem. Wśród tak zwanego ,,śmieciowego DNA” możemy znaleźć między innymi mobilne elementy genetyczne, pseudogeny oraz endogenne wirusy, czy tak prozaiczne fragmenty jak introny. Część z tych struktur stanowi pewnego rodzaju ,,skamienieliny genetyczne”, utrzymywane w genomie przez wiele tysięcy lat.

Pseudogeny

Szczególnie interesującą frakcja ,,śmieciowego DNA” wydają się być pseudogeny. Mogą powstawać na kilka sposobów: na skutek mutacji w wyniku której gen traci aktywność, poprzez duplikację genu lub też poprzez odwrotną transkrypcję mRNA do cDNA i wbudowanie takiej struktury do genomu. Fragment pozbawiony intronów i elementów regulacyjnych nie może ulegać poprawnej ekspresji i nie jest w stanie stworzyć funkcjonalnego białka. Dlatego też pseudogeny uznawane są za niefunkcjonalną pozostałość po aktywnych genach, obrazowo nazywa się je ,,martwymi” genami. Część z nich pozostaje transkrypcyjnie nieaktywna, ale z niektórych powstaje RNA, które nie jest przepisywany na białko (Pink et al., 2011). Jaka jest funkcja tego RNA, czy jest degradowany jako zbędny? Może jednak odgrywa istotną rolę w ekspresji informacji genetycznej? Okazuje się że niektóre tkanki mają specyficzny dla siebie wzór transkrypcji niekodujących RNA, którego profil jest zależny od stanu organizmu i zmienia się w przypadku chorób takich jak cukrzyca czy nowotwory (Chiefari et al., 2010; Zou et al., 2009). W jaki sposób RNA który sam w sobie nie niesie żadnej informacji może wpływać na metabolizm DNA w komórce? RNA może być nie tylko pośrednim nośnikiem informacji między DNA a białkiem, może być też sposobem na regulację ekspresji genów. Antysensowne produkty transkrypcji pseudogenów mogą interferować z transkryptami prawidłowych genów i w ten sposób kierować je do degradacji lub blokować ich translację. W ten sposób pseudogeny z balastowego materiału urastają do miana jednego z istotnych mechanizmów regulacji przepływu informacji genetycznej.

Genetyczne elementy mobilne i endogenne retrowirusy

Genom wydaje się stabilną i statyczną strukturą, temu wyobrażeniu przeczy obecność genetycznych elementów mobilnych takich jak transpozony (które mogą się przemieszczać w obrębie materiału genetycznego i amplifikować bez procesów pośrednich) i retrotranspozony (które wymagają do tego odwrotnej tranksryptazy). Elementy mobilne w przypadku człowieka stanowią 42% całej informacji genetycznej (Bohne et al., 2008). Przykładem elementów zdolnych do retrotranspozycji są wbudowane w genom endogenne retrowirusy (ERV), które mogą być pozostałością po infekcjach, które dotyczyły naszych przodków i obecnie stanowią 8% naszego genomu (Kurth and Bannert, 2010). Egzogenny wirus infekując komórki rozrodcze gospodarza może stać się częścią jego materiału genetycznego i być przekazywany kolejnym pokoleniom (Stocking and Kozak, 2008), w ten sposób materiał który mógł zakazić naszych przodków przed milionami lat dziś jest obecny w naszym genomie. W ciągu tysięcy lat endogenne wirusy były obiektem licznych delecji i mutacji w wyniku czego większość z nich utraciło aktywność i pozostaje nieaktywna transkrypcyjnie. Jednak niektóre skamieniałe wirusy mogą odzyskiwać patogenność np. przy obniżonej odporności gospodarza lub w przypadku ekspozycji na szkodliwe warunki środowiskowe i wywoływać szkodliwe dla gospodarza efekty. Wzmożoną aktywność endogennych wirusów stwierdzono między innymi w przypadku nadciśnienia u szczurów, czy też w przypadku nowotworów (Lower, 1999). Z drugiej strony ERV wydają się niezbędne, właśnie ich aktywność i ekspresja glikoproteiny otoczki, odgrywa istotną rolę przy formowaniu się łożyska u ssaków a istnieją także doniesienia że niekodujący RNA będący transkryptem ERV chroni przed innymi, blisko spokrewnionymi czynnikami patogennymi (Black et al., 2010; Weiss and Stoye, 2013). Sam fakt insercji nowego materiału genetycznego daje znaczne możliwości regulacyjne poprzez wstawianie wirusowych promotorów lub sekwencji regulacyjnych, przy czym należy pamiętać, że taka nowa płaszczyzna regulacyjna może mieć zarówno pozytywne znaczenie (wyciszanie onkogenów), jak też negatywne (supresja antyonkogenów) w zależności od kontekstu genetycznego.

Podobną rolę odgrywają inne elementy transpozycyjne, które stanowią bardzo niejednorodną populację. Transpozony zwane też ,,skaczącymi genami” zostały zauważone już w latach 50 (Biemont, 2010) odgrywają rolę w rearanżacjach wewnątrzgenomowych. Szybko zyskały miano ,,pasożytów genomu” (Orgel and Crick, 1980), jednak obecnie coraz większa grupa badaczy przyznaje, że elementy transpozycyjne (TE – Transposable Elements) mogą odgrywać istotną rolę w ewolucji genomu (Oliver and Greene, 2009). Fragmenty co najmniej kilkunastu genów mogą pochodzić właśnie od elementów mobilnych. Ponadto TE można spotkać zarówno w regionach kodujących białka w przypadku których zwiększają możliwości transkrypcyjne poprzez dodatkowe warianty alternatywnego splicingu, jak i heterochromatynowych obszarach takich jak centromery (Britten, 2006; von Sternberg and Shapiro, 2005). Transpozony oprócz zmian typowo strukturalnych wpływają też na regulacje ekspresji poprzez wstawianie nowych miejsc regulatorowych (Oliver and Greene, 2009). Każdy ze elementów składających się na ,,śmieciowe DNA” ma bezpośredni, materialny wpływ na genom, jednak istnieje jeszcze co najmniej jeden poziom decydujący o tym jak tłumaczona jest informacja genetyczna.

Informacja zapisana poza genomem – epigenetyka

Zagadnienie dodatkowo komplikuje jeszcze jeden poziom regulacji, leżący poza genomem, a mianowicie epigenom, stanowiący punkt wspólny między genomem a środowiskiem zewnętrznym. Szczególnie istotnym zagadnieniem jest analiza wpływu środowiska na ekspresję genów oraz co ciekawe możliwości dziedziczenia tego wpływu. Modyfikacje epigenetyczne, są często efektem reakcji organizmu na zmieniające się warunki otoczenia i stanowią o jego możliwościach adaptacyjnych. Czynniki środowiskowe, mogą wpływać na to jakie geny w danej chwili ulegają ekspresji. Jest to możliwe przez system przełączników, przez które rozumiemy związki powodujące kowalencyjne modyfikacje DNA i histonów oraz niekodujące RNA (które są często produktami ekspresji ,,junk DNA”) mogące aktywować geny bądź je wyciszać. Co ważne, modyfikacje takie wpływają na ekspresję genów ale nie zmieniają sekwencji DNA. Zastanawiać może, co mają ze sobą wspólnego ,,śmieciowy DNA” i epigenetyka – odpowiedź jest całkiem prosta. Mechanizmy epigenetyczne to próba uporządkowania i stabilizacji genomu. Mogły powstać jako mechanizm obronny pierwotnych genomów przeciw pasożytniczym obcym sekwencjom, które włączone do genomu były wyciszane (Maurer-Alcala and Katz, 2015).

Pojęcie dziedziczenie epigenetycznego, jest o tyle ciekawe, że w przeciwieństwie do dziedziczenia genetycznego, nie dotyczy dziedziczenia informacji genetycznej. Jego nośnikiem nie jest sekwencja nukleotydów. Dziedziczona jest nie tyle informacja genetyczna, a sposób regulacji jej ekspresji. Wiedza, którą wnosi epigenetyka doskonale uzupełnia mechanizmy genetyczne, ale też wprowadza nowy aspekt do wiedzy o mechanizmach dziedziczenia. Udowadnia możliwość dziedziczenia wpływu środowiska. Do niedawna uważano, że informacja epigenetyczna jest wymazywana między pokoleniami. Według dzisiejszego stanu wiedzy, okazuje się, że mechanizmy epigenetyczne mogą być utrwalane i przekazywane potomkom.

Zagadnienie ma swój początek w latach 30. XX wieku, a pionierem w tej dziedzinie był H. J. Müller. Prowadził obserwację różnych linii Drosophila. Zauważył, że u niektórych osobników zamiast zabarwienia jednolitego, które wynikało z dziedziczenia genetycznego, wystąpiło zabarwienie mozaikowate. Zjawisko było spowodowane inaktywacją genu odpowiedzialnego za syntezę pigmentu. Zmianie fenotypu nie towarzyszyły żadne zmiany w sekwencji nukleotydów. Mimo to komórki potomne, powstałe z komórki zmodyfikowanej przejawiały wyciszenie tego genu. Cecha okazała się być dziedziczna, ale nie przekazywana jako informacja zapisana w DNA (Wierzbicki 2004). Jeszcze ciekawsze i dające dużo do myślenia było doświadczenie przeprowadzone na myszach. Doświadczenie polegało na rozprowadzaniu zapachu acetofenonu w otoczeniu zwierząt. Zapachowi towarzyszył lekki bodziec elektryczny działający na mysz. Z czasem zwierzęta reagowały na sam zapach acetofenonu drżeniem, nawet jeśli nie następowało porażenie. Co ciekawe strach przed odczynnikiem został przekazany potomstwu. Młode osobniki drżały wyczuwając woń acetofenonu, choć nie miały z nim nigdy kontaktu (Callaway 2013). Zjawisko jest tłumaczone mechanizmem metylacji DNA, ale nie przekonuje to wszystkich badaczy. Na dzień dzisiejszy nie istnieje zadowalające wyjaśnienie tego fenomenu, ale próbuje się go odnosić na inne płaszczyzny np. dziedziczenie tendencji do uzależnień.

Znaczna część genomu zbiorczo określana ,,śmieciowym DNA” jest coraz bardziej doceniana i uwzględniana, projekt badający funkcjonalność genomu – ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), pozwolił na znacznie lepsze zrozumienie roli tej frakcji materiału genetycznego. Badacze zaangażowani w te badania twierdzą, że udało się przypisać rolę i funkcje biochemiczna około 80% genomu. Analizy wskazują na to że ,,śmieciowe DNA” to nie balast, ale wielopoziomowa sieć regulacji w której wstępują złożone relacje. Dodając do tego mechanizmy epigenetyczne otrzymujemy wprost niewyobrażalną liczbę mechanizmów i etapów regulujących ekspresję materiału genetycznego. Zjawiska epigenetyczne tłumaczą w jaki sposób według tej samej instrukcji mogą powstać różne twory. Epigenetyka stanowi w tym względzie paradoks, jedna sekwencja, jeden genom może dać setki, tysiące, a może nawet miliony kombinacji fenotypowych. Każda z tych kombinacji jest interpretacją jednej i tej samej informacji, różnym odczytem tej samej treści.

Genom wydaje się niezwykle skomplikowanym układem biologicznym, a poznanie jego sekwencji jest zaledwie wierzchołkiem góry lodowej. Wydaje się że sama informacja zajmuje niewiele miejsca w genomie, znacznie większa jego część to instrukcja jak, kiedy i gdzie ją wyrażać. Najlepszym podsumowaniem są słowa jednego z naukowców uczestniczących w projekcie ENCODE, Jasona Lieba, który stwierdził że w ten sposób dowiedzieliśmy się jak naprawdę pięknie złożona jest biologia (Pennisi, 2012).

Bibliografia

  1. Biemont, C., 2010, A Brief History of the Status of Transposable Elements: From Junk DNA to Major Players in Evolution: Genetics, v. 186, p. 1085-1093.
  2. Black, S. G., F. Arnaud, M. Palmarini, and T. E. Spencer, 2010, Endogenous Retroviruses in Trophoblast Differentiation and Placental Development: American Journal of Reproductive Immunology, v. 64, p. 255-264.
  3. Bohne, A., F. Brunet, D. Galiana-Arnoux, C. Schultheis, and J. N. Volff, 2008, Transposable elements as drivers of genomic and biological diversity in vertebrates: Chromosome Research, v. 16, p. 203-215.
  4. Britten, R., 2006, Transposable elements have contributed to thousands of human proteins: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, v. 103, p. 1798-1803
  5. Callaway, E.: Fearful memories haunt mouse descendants, http://www.nature.com/news/fearful-memories-haunt-mouse-descendants-1.14272#auth-1.
  6. Chiefari, E., S. Iiritano, F. Paonessa, I. Le Pera, B. Arcidiacono, M. Filocamo, D. Foti, S. A. Liebhaber, and A. Brunetti, 2010, Pseudogene-mediated posttranscriptional silencing of HMGA1 can result in insulin resistance and type 2 diabetes: Nature Communications, v. 1.
  7. Collins, F. S., E. S. Lander, J. Rogers, R. H. Waterston, and C. Int Human Genome Sequencing, 2004, Finishing the euchromatic sequence of the human genome: Nature, v. 431, p. 931-945.
  8. Kurth, R., and N. Bannert, 2010, Beneficial and detrimental effects of human endogenous retroviruses: International Journal of Cancer, v. 126, p. 306-314.
  9. Lower, R., 1999, The pathogenic potential of endogenous retroviruses: facts and fantasies: Trends in Microbiology, v. 7, p. 350-356.
  10. Maurer-Alcala, X. X., and L. A. Katz, 2015, An epigenetic toolkit allows for diverse genome architectures in eukaryotes: Current Opinion in Genetics & Development, v. 35, p. 93-99.
  11. Oliver, K. R., and W. K. Greene, 2009, Transposable elements: powerful facilitators of evolution: Bioessays, v. 31, p. 703-714.
  12. Orgel, L. E., and F. H. C. Crick, 1980, Selfish Dna – The Ultimate Parasite: Nature, v. 284, p. 604-607.
  13. Palazzo, A. F., and T. R. Gregory, 2014, The Case for Junk DNA: Plos Genetics, v. 10.
  14. Pennisi, E., 2010, Shining a Light on the Genome’s ‚Dark Matter’: Science, v. 330, p. 1614-1614.
  15. Pennisi, E., 2012, GENOMICS ENCODE Project Writes Eulogy For Junk DNA: Science, v. 337, p. 1159-1161.
  16. Pink, R. C., K. Wicks, D. P. Caley, E. K. Punch, L. Jacobs, and D. R. F. Carter, 2011, Pseudogenes: Pseudo-functional or key regulators in health and disease?: Rna, v. 17, p. 792-798.
  17. Stocking, C., and C. A. Kozak, 2008, Murine endogenous retroviruses: Cellular and Molecular Life Sciences, v. 65, p. 3383-3398.
  18. von Sternberg, R., and J. A. Shapiro, 2005, How repeated retroelements format genome function: Cytogenetic and Genome Research, v. 110, p. 108-116.
  19. Weiss, R. A., and J. P. Stoye, 2013, Our Viral Inheritance: Science, v. 340, p. 820-821.
  20. Wierzbicki, T.: Dziedziczenie epigenetyczne, Kosmos – problemy nauk biologicznych, tom 53, numer 3-4, 271-280, 2004
  21. Zou, M. J., E. Y. Baitei, A. Alzahrani, F. Al-Mohanna, N. R. Farid, B. Meyer, and Y. F. Shi, 2009, Oncogenic Activation of MAP Kinase by BRAF Pseudogene in Thyroid Tumors: Neoplasia, v. 11, p. 57-65.

Kategorie: Artykuły biologiczne,Biologia,Ciekawostki biologiczne,Ewolucjonizm,Medycyna i zdrowie

Pozostaw odpowiedź