Ukryte geny

Nobliści James Watson i Francis Crick 65 lat temu ogłosili, że cząsteczka DNA ma strukturę podwójnej helisy. Odkrycie to zrewolucjonizowało nauki biologiczne, medyczne i nasze podejście w rozumieniu życia. Od tego czasu DNA stało się obiektem nieskończonej liczby badań, które pozwalają obecnie na prowadzenie terapii genowych, modyfikacje genetyczne roślin i zwierząt czy tworzenie nowych klas leków.

Zapisana w DNA informacja to nic innego jak przepis na stworzenie gotowego organizmu żywego. Na jej podstawie u żyrafy rozwija się długa szyja, u rekina powstają ostre i niebezpieczne szczęki, a u człowieka pojawia się określony kolor oczu. Każda zmiana w tym kodzie pociąga za sobą konsekwencje w wyglądzie lub przeżywalności osobników. Dlatego kolejnym po odkryciu struktury DNA wyzwaniem było jego odszyfrowanie, czyli ustalenie kolejności jego liter. Kod genetyczny składa się jedynie z 4 liter: A, T, C i G. Ich kolejność warunkuje rodzaj aminokwasów w białku. Dzięki sekwencjonowaniu naukowcy dowiedzieli się, jak różni się DNA człowieka od innych zwierząt oraz co się dzieje, gdy w zapisie informacji genetycznej wystąpi błąd. Co więcej, dzięki porównaniu sekwencji DNA różnych gatunków można określić, w jakim stopniu są ze sobą spokrewnione, i dokładniej poznać bieg ewolucji.

Zaginiony gen piaskówki

Piaskówka tłusta to niewielki gryzoń zamieszkujący pustynie północnej Afryki i Półwyspu Arabskiego. Każdego dnia zjada porcję liści odpowiadającą 80% masy jej ciała, nie pijąc przy tym wody. Na utrzymanie tej nietypowej diety pozwalają jej niebywale wydajne nerki. Okazuje się, że to niejedyne dziwactwa, którymi może się poszczycić. Prawdziwą sensację stanowi bowiem jej „zaginione” DNA. Na tę zagadkę natrafiono przypadkowo podczas badań fizjologii piaskówek. W 1960 r. okazało się, że gdy trzymanym w laboratorium osobnikom zaserwowano smakołyki, z którymi nie mają do czynienia w naturalnym środowisku, takie jak owoce czy nasiona, gryzonie szybko tyły i chorowały na cukrzycę typu 2. Fenomen ten przykuł uwagę wielu specjalistów i uczynił z piaskówek model do badania rozwoju cukrzycy u ludzi. Było wtedy jednak jeszcze za wcześnie, by odpowiedzieć na pytanie, co jest powodem tej niezwykłej przypadłości. Dopiero dzięki postępowi technologicznemu naukowcy wzięli wreszcie pod lupę geny i białka piaskówki.

Jednym z analizowanych genów był Pdx1, kodujący informację o budowie białka, które wiąże się z DNA i wpływa przez to na geny regulujące rozwój trzustki i dojrzewanie komórek wydzielających insulinę. Pdx1 jest więc niezbędny do przeżycia i prawidłowego rozwoju organizmu. Jednak badania nad piaskówkami wykazały, że brakuje go w DNA tych zwierząt, mimo to posiadają one rozwinięte, funkcjonujące trzustki i wydzielają insulinę! Co więcej, w ich DNA brakowało jeszcze 87 innych genów, które powinny znajdować się w pobliżu Pdx1. Gdzie więc się one podziały? Dlaczego piaskówki żyły i miały się dobrze?

Ciemne DNA

Cenną wskazówką, która pomogła w odpowiedzi na to pytanie, okazały się cząsteczki RNA. W komórkach organizmów żywych informacja zakodowana w DNA jest przepisywana właśnie na cząsteczki RNA, na podstawie których powstają w rybosomach łańcuchy białkowe. Próbując rozwikłać zagadkę piaskówek, naukowcy przyjrzeli się bliżej RNA obecnemu w ich tkankach. To, co odkryli, wprawiło ich w zdumienie. Okazało się, że w komórkach gryzoni obecne są cząsteczki RNA będące produktem przepisania brakujących genów. Tak więc geny musiały być obecne w DNA zwierząt. Tylko gdzie się podziały?

Fragment DNA z zaginionymi genami badacze postanowili nazwać dark DNA – czyli ciemne DNA, na wzór ciemnej materii wszechświata, której obecności nadal nie jesteśmy w stanie empirycznie potwierdzić. Wiemy, że istnieje, ale jej natura wciąż pozostaje nieznana. Analiza cząsteczek RNA brakujących genów ujawniła, że są one szczególnie bogate w litery kodu C i G. Zsekwencjonowanie ich obecnie dostępnymi metodami jest dosyć problematyczne. Oprogramowanie komputerowe ma bowiem duże kłopoty z dopasowaniem do siebie tego rodzaju sekwencji i często popełnia błędy. Olbrzymia liczba par GC wyjaśniała nieobecność brakujących genów, w tym Pdx1. Geny istniały, ale oprogramowanie komputerowe szwankowało.

Aby odnaleźć i poprawnie odczytać fragmenty DNA bogate w G i C, naukowcy postanowili zmodyfikować metodę pracy. Po wyizolowaniu DNA z komórek poddali je wirowaniu z ultradużą prędkością (ok. 40 tys. obrotów na minutę) w stężonym roztworze odpowiedniej soli przez trzy dni! Dzięki temu ciężkie fragmenty DNA z dużą zawartością C i G opadały na dno probówki, oddzielając się od pozostałych, a DNA zostało „oczyszczone” i odczytane raz jeszcze. Przeprowadzone analizy wykazały obecność w DNA piaskówki tzw. gorących punktów (ang. hotspots), w których bardzo często dochodzi do mutacji, w tym zamiany A lub T na C i G. W tym rejonie znajdowały się Pdx1 i inne brakujące geny. W ludzkim genomie hotspoty stanowią ok. 1% całego DNA. Badania jednoznacznie wskazują, że większość mutacji jest dla organizmów szkodliwa. No ale ich brak uniemożliwiałby ewolucję, która bazuje na zmienności. Nawet niewielkie modyfikacje w kolejności liter kodu DNA mogą prowadzić do śmierci organizmów. Chociaż Pdx1 u piaskówki charakteryzuje się największą liczbą mutacji pośród genów występujących u zwierząt, zachował swoją funkcjonalność. Mimo wszystko to właśnie te zmiany mogą być odpowiedzialne za szczególne ryzyko występowania cukrzycy u piaskówek.

Narzędzie ewolucji

Mutacje, czyli zmiany liter DNA, stanowią jeden z głównych mechanizmów ewolucji. I choć z jednej strony często zdarza się, że nawet pojedyncza mutacja może wywierać fatalne skutki kończące się śmiercią organizmu (dzięki czemu wadliwy gen nie zostaje przekazany potomstwu i znika z populacji), to z drugiej – dzięki mutacjom powstają nowe cechy i tworzą się nowe gatunki. O użyteczności genu decyduje mechanizm nazywany naturalną selekcją, który działa na zasadzie sita, oddzielając dobre i złe zmiany w DNA. Jeśli mutacja przynosi korzyść organizmowi, zwiększając jego szansę na przeżycie, zostanie przekazana pokoleniom potomnym. Mówimy wówczas, że nowa cecha to adaptacja. Jednak obecność ciemnego DNA zmienia zasady ewolucyjnej gry.

Geny bogate w gorące miejsca charakteryzują się bardzo szybkim tempem mutacji, dzięki czemu prezentują szeroką gamę cech, które może filtrować naturalna selekcja, a w konsekwencji organizmy mogą ewoluować znacznie szybciej od pozostałych, bo mają więcej okazji do przetestowania użyteczności genu. W ten właśnie sposób ciemne DNA może bezpośrednio wpływać na tempo i kierunek ewolucji! A być może jest jej głównym narzędziem i motorem napędowym?! W przypadku piaskówki ciężko tak naprawdę określić, czy obecność ciemnego DNA to przywilej, czy raczej udręka. Prawdopodobnie to ono pozwala gryzoniom przetrwać w tak ekstremalnych warunkach środowiskowych. Ale zmiana otoczenia i diety u piaskówki natychmiast prowadzi do rozwoju cukrzycy. Gryzonie te są więc więźniami ciemnego DNA, które pozwala im żyć jedynie na gorących nieprzyjaznych pustyniach.

Na razie udało się ustalić, że oprócz piaskówek tłustych jeszcze 12 innych gatunków gryzoni może poszczycić się ciemnym DNA i ukrytymi genami. Podobne zjawisko występuje też u ptaków. W genomach wielu z nich brakuje ok. 270 genów. I analogicznie do piaskówek w ich komórkach odnaleziono pasujące do zaginionych genów RNA bogate w litery C i G. Jeden z zaginionych genów koduje leptynę, hormon sytości produkowany przez komórki tkanki tłuszczowej. Nie wiemy, czy ciemne DNA występuje u ludzi. Aby odpowiedzieć na to pytanie, należałoby wyizolować DNA z użyciem metody ultrawirowania i zsekwencjonować je raz jeszcze. Może się okazać, że obecność ciemnego DNA w genomach zwierząt to nie fenomen, ale reguła!

Niekodujące DNA

Do ciemnego DNA naukowcy zaliczają również tzw. niekodujące DNA. Jedynie 2% z naszego DNA koduje białka, a funkcja pozostałych 98% długo była lekceważona i niezbadana. Tę część naszego genomu nazwano nawet śmieciowym DNA. Okazało się jednak, że na bazie informacji zapisanej w niekodującym DNA powstają cząsteczki RNA. Tylko że nie służą one do produkcji białek, lecz pełnią funkcje regulatorowe. Te niekodujące RNA regulują pracę innych genów, precyzyjnie kontrolując metabolizm komórek, rozwój organizmów, a także powstawanie chorób. Szacuje się, że rodzajów niekodujących RNA jest aż 58 tys. Aby dokładnie zbadać ich rolę, fragmenty niekodującego DNA wycina się z komórek i obserwuje, w jaki sposób wpływa to na ich funkcjonowanie.

Jednymi z najlepiej do tej pory opisanych długich niekodujących RNA są produkty genów Xist oraz Tsix. Są one zaangażowane w proces inaktywacji jednego z dwóch chromosomów X. Zjawisko to zachodzi jedynie w komórkach samic ssaków, które mają dwa chromosomy płciowe X. U samców nie ma takiej potrzeby, gdyż posiadają one jeden chromosom X i jeden Y. Klasycznym przykładem inaktywacji chromosomu X, który można obserwować gołym okiem, jest ubarwienie kotek szylkretowych. To właśnie na tym chromosomie zlokalizowane są geny odpowiedzialne za czarny i brązowy kolor futra. Na skutek losowego procesu jedne komórki mają nieaktywny chromosom z genem kodującym brązowy, a inne czarny kolor futra. W konsekwencji samice są szylkretowe, a więc czarno-brązowe.

Ciemne DNA i mózg

W genomie oprócz fragmentów cechujących się niesamowitą zmiennością, takich jak gorące punkty, występują też miejsca mające stałą, niezmienną od pokoleń sekwencję, nazywaną ultrakonserwatywną. Również te miejsca wchodzą w skład ciemnego DNA. Oszacowano, że w toku ewolucji szansa na ich wypadnięcie z genomu jest aż 300 razy mniejsza niż sekwencji zawartych w genach, a więc części kodującej DNA. Z tego względu wydaje się, że informacja, którą niosą, jest o wiele cenniejsza i bardziej wrażliwa niż ta zapisana w genach. Naukowcy ze Stanford University, porównując genomy człowieka, myszy, szczura oraz kury, odkryli, że aż 481 fragmentów DNA było u nich niemal identyczne. To zaskakująco duża liczba, gdy weźmie się pod uwagę fakt, że wszystkie te gatunki ewoluowały niezależnie od siebie przez jakieś 200 mln lat.

Sekwencje ultrakonserwatywne w ciemnym DNA nie kodują białek, ale muszą odgrywać inne kluczowe role, skoro są tak bardzo chronione w toku ewolucji. Organizmy nie mogą pozwolić sobie na ich utratę bądź zmianę ich struktury, co również podkreśla ich istotność. Naukowcy postanowili więc zbadać, za co w rzeczywistości te ultrakonserwatywne miejsca odpowiadają. W tym celu wycięli je z genomu i obserwowali, jak wpływa to na rozwój organizmów. Pierwsza próba odbyła się w 2007 r. Usunięto wówczas cztery ultrakonserwatywne elementy w mysim genomie. Po takim zabiegu gryzonie miały się świetnie. Żyły i były zdolne do reprodukcji. Nie takiej reakcji spodziewali się badacze. Dlatego po jakimś czasie, gdy pojawiły się nowsze techniki inżynierii genetycznej, pozwalające edytować genom, eksperyment przeprowadzili raz jeszcze. Z mysiego DNA znów wycięli 4 sekwencje ultrakonserwatywne, zlokalizowane w pobliżu genów kodujących białka warunkujące prawidłowy rozwój mózgu. I znów myszy miały się świetnie. Zmiany w organizmach zwierząt wyszły na jaw dopiero podczas sekcji martwych osobników. Okazało się, że struktura ich mózgu znacznie odbiegała od normalnej, szczególnie w rejonie odpowiedzialnym za przechowywanie wspomnień i występowanie epilepsji. Co więcej, zaobserwowano też znacznie mniejszą liczbę pewnej klasy komórek nerwowych, których ubytek stwierdza się w chorobie Alzheimera. Takie myszy w środowisku naturalnym miałyby znacznie mniejsze szanse na przeżycie, dlatego też ewolucja unika zmian w sekwencjach ultrakonserwatywnych. Naukowcy chcą kolejno zbadać, czy zmiany w obrębie tych sekwencji mogą być przyczyną rozwoju chorób neurodegeneracyjnych u ludzi. Nazywane niegdyś śmieciowym, to DNA dziś znajduje się w centrum uwagi. Przez długi czas niedoceniane, może pomóc w wyjaśnieniu ciągle niezrozumiałych zjawisk biologicznych.

Katarzyna Kornicka
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Katedra Biologii Eksperymentalnej