Śmieciowy DNA. Podróż przez ciemną materię genomu ebook

Abi Reynolds,która zawsze stoi u mojego boku,i Sheldonowi– dobrze Cię znowu widzieć.

Jestem szczęśliwa, że przy pisaniu drugiej książki wciąż miałam wsparcie znakomitego agenta Andrew Lownie’ego oraz wspaniałych wydawców. Spośród pracowników Icon Books chciałabym podziękować zwłaszcza Duncanowi Heathowi, Andrew Furlowowi i Robertowi Sharmanowi, nie zapominając jednak o ich dawnych kolegach – Simonie Flynnie i Henrym Lordzie. Pracownicy Columbia University Press, którym jestem bardzo wdzięczna, to Patrick Fitzgerald, Bridget Flannery-McCoy i Derek Warker.

Jak zawsze, rozrywkę i inspirację zapewniali mi niezwykli ludzie. Udział w tym przedsięwzięciu mieli Conor Carey, Finn Carey i Gabriel Carey, a spoza mojego genetycznego klanu chciałabym podziękować również Ionie Thomas-Wright. Bezustanne wsparcie i stosy herbatników zapewniała mi moja zawsze cierpliwa, wspaniała teściowa Lisa Doran.

Od momentu ukazania się mojej pierwszej książki ogromną przyjemność sprawiały mi liczne wystąpienia przed słuchaczami, którzy nie mieli wiedzy specjalistycznej. Różnych organizacji, od których otrzymałam zaproszenie, jest zbyt wiele, bym mogła wymienić je z nazwy, ale ich przedstawiciele wiedzą, kogo mam na myśli. Był to dla mnie ogromny przywilej, a same wystąpienia były bardzo inspirujące. Dziękuję wszystkim.

Na koniec dziękuję Abi, która łaskawie wybaczyła mi, że – pomimo moich obietnic – wciąż nie odbyłam tej lekcji tańca towarzyskiego.

Pisanie książki o śmieciowym DNA sprawia trudności związane ze stosowaną terminologią, ponieważ termin „śmieciowy DNA” stale zmienia odniesienie. Po części jest tak dlatego, że nowe dane ciągle zmieniają naszą perspektywę. Gdy tylko wykaże się, że jakiś fragment śmieciowego DNA pełni funkcję, niektórzy naukowcy mówią (całkiem logicznie), że nie jest on śmieciowy. Takie podejście niesie jednak ryzyko, że zapomnimy, jak radykalnie przez ostatnie lata zmieniała się nasza wiedza o genomie.

Zamiast tracić czas na mozolne przedzieranie przez tę terminologiczną mgłę, przyjęłam najbardziej skrajne podejście. Wszystko, co nie koduje białek, uznaję za śmieciowe – tak jak było dawniej (w drugiej połowie XX wieku). Puryści będą mieli używanie, ale nie szkodzi. Jeśli zapytamy trzech różnych naukowców, co według nich znaczy termin „śmieciowy”, to prawdopodobnie uzyskamy cztery różne odpowiedzi. Lepiej więc przyjąć prosty punkt wyjścia.

W punkcie wyjścia przyjmuję też, że termin „gen” odnosi się do fragmentu DNA, który koduje białko. Ta definicja będzie ulegała zmianie w dalszych partiach książki.

Po opublikowaniu mojej pierwszej książki The Epigenetics Revolution [Rewolucja epigenetyczna] zdałam sobie sprawę, że czytelnicy mają dwa różne podejścia do nazw genów. Niektórzy ludzie lubią wiedzieć, o którym genie jest mowa, ale inni uważają, że ta informacja bardzo niekorzystnie wpływa na płynność czytania. Tym razem w tekście głównym używam więc nazw konkretnych genów tylko wtedy, gdy jest to absolutnie konieczne. Z myślą o tych, którzy chcieliby te nazwy znać, umieszczam je w przypisach dolnych (w przypisach podaję też odpowiednie dane bibliograficzne).

Wyobraźmy sobie scenariusz sztuki, filmu lub programu telewizyjnego. Ktoś oczywiście może przeczytać go, jakby czytał książkę. Scenariusz stanie się jednak znacznie bardziej przemawiający, kiedy posłuży do wytworzenia czegoś. Stanie się czymś więcej niż ciągiem słów na papierze, gdy przeczyta się go na głos albo – jeszcze lepiej – gdy odegrają go aktorzy.

Z DNA jest podobnie. To najbardziej niezwykły scenariusz. Wykorzystując maleńki alfabet złożony z zaledwie czterech liter, zawiera on kod organizmów – od bakterii po słonie, od drożdży piwnych po płetwale błękitne. DNA umieszczony w probówce jest jednak dość nudny. Niczego nie robi. Staje się znacznie bardziej ekscytujący, kiedy komórka lub organizm wykorzystuje go do tworzenia czegoś. DNA służy jako kod do tworzenia białek, a białka są niezbędne do oddychania, pożywiania się, pozbywania się odpadów, rozmnażania się oraz do wszystkich innych czynności, bez których organizmy nie mogłyby żyć.

Białka są tak ważne, że w XX wieku naukowcy za ich pomocą definiowali, co rozumieją pod pojęciem genu. Gen opisywano jako sekwencję DNA, która koduje białko.

Pomyślmy o najsłynniejszym scenarzyście w historii – Williamie Szekspirze. Wczucie się w jego sztuki może zająć chwilę, ponieważ język angielski mocno zmienił się przez setki lat po jego śmierci. Mimo to zawsze mamy pewność, że poeta pisał tylko te słowa, które mieli wypowiadać aktorzy.

Szekspir nie napisał na przykład następującego tekstu:

vjeqriugfrhbvruewhqoerahcxnqowhvgbutyunyhewqicxhjafvurytnpemxoqp[etjhnuvrwwwebcxewmoipzowqmroseuiednrcvtycuxmqpzjmoimxdcnibyrwvytebanyhcuxqimokzqoxkmdcifwrvjhentbubygdecftywerftxunihzxqwemiuqwjiqpodqeotherpowhdymrxnamehnfeicvbrgytrchguthhhhhhhgcwouldupaizmjdpqsmellmjzufernnvgbyunasechuxhrtgcnionytuiongdjsioniodefnionihyhoniosdreniokikiniourvjcxoiqweopapqsweetwxmocviknoitrbiobeierrrrrrruorytnihgfiwoswakxdcjdrfuhrqplwjkdhvmogmrfbvhncdjiwemxsklowe

Napisał tylko podkreślone słowa:

vjeqriugfrhbvruewhqoerahcxnqowhvgbutyunyhewqicxhjafvurytnpemxoqp[etjhnuvrwwwebcxewmoipzowqmroseuiednrcvtycuxmqpzjmoimxdcnibyrwvytebanyhcuxqimokzqoxkmdcifwrvjhentbubygdecftywerftxunihzxqwemiuqwjiqpodqeotherpowhdymrxnamehnfeicvbrgytrchguthhhhhhhgcwouldupaizmjdpqsmellmjzufernnvgbyunasechuxhrtgcnionytuiongdjsioniodefnionihyhoniosdreniokikiniourvjcxoiqweopapqsweetwxmocviknoitrbiobeierrrrrrruorytnihgfiwoswakxdcjdrfuhrqplwjkdhvmogmrfbvhncdjiwemxsklowe

Czyli: A rose by any other name would smell as sweet [To, co zwiemy różą, słodko pachniałoby pod każdym innym imieniem1].

Jeśli jednak przyjrzymy się scenariuszowi pisanemu przez DNA, to przekonamy się, że nie jest on tak sensowny i zwarty, jak ten wers Szekspira. Każdy region kodujący białko przypomina pojedyncze słowo dryfujące po oceanie nonsensu.

Przez lata naukowcy nie znali wyjaśnienia, dlaczego tak duża ilość naszego DNA nie koduje białek. Te niekodujące części określano z lekceważeniem jako „śmieciowy DNA”. Z wielu powodów przekonanie to stopniowo stawało się coraz trudniejsze do utrzymania.

Być może głównym powodem zmiany takiego podejścia była sama ilość śmieciowego DNA zawartego w naszych komórkach. Jednym z najbardziej szokujących odkryć, gdy w 2001 roku zsekwencjonowano cały genom człowieka, było to, że ponad 98 procent DNA w ludzkiej komórce to śmieci, które nie kodują żadnych białek. Powyższa analogia do Szekspira to w istocie uproszczenie. Z perspektywy genomu stosunek nonsensu do tekstu jest prawie cztery razy większy niż w powyższym przykładzie. Na każdą jedną niosącą sens literę przypada ponad 50 liter śmieciowych.

Można to zobrazować również w inny sposób. Wyobraźmy sobie, że odwiedzamy fabrykę samochodów, na przykład tych z górnej półki, jak Ferrari. Bylibyśmy bardzo zaskoczeni, gdyby na każde dwie osoby składające ten błyszczący, czerwony samochód sportowy przypadało 98 innych, które tylko siedzą i nic nie robią. Byłoby to niedorzeczne, a więc dlaczego coś takiego miałoby być sensowne w naszych genomach? Mimo że niedoskonałości w organizmach słusznie często traktujemy jako najmocniejsze świadectwo pochodzenia od wspólnych przodków (ludzie tak naprawdę nie potrzebują wyrostka robaczkowego), w przypadku śmieciowego DNA tych niedoskonałości byłoby po prostu zbyt dużo.

Znacznie bardziej prawdopodobnym scenariuszem w fabryce samochodów byłoby to, że na każde dwie osoby składające pojazd przypada 98 innych, które wykonują prace niezbędne do działania fabryki – pozyskiwanie środków, prowadzenie księgowości, reklamowanie produktu, wypłacanie pensji, czyszczenie toalet, sprzedaż aut i tak dalej. To prawdopodobnie znacznie lepszy model roli śmieci w naszym genomie. Białka możemy postrzegać jako finalne produkty potrzebne do życia, ale nigdy nie byłyby należycie tworzone i koordynowane bez udziału śmieciowego DNA. Dwie osoby mogą złożyć samochód, ale nie mogą utrzymać całej sprzedającej go firmy, a już na pewno nie zrobią z niej potężnej i odnoszącej sukcesy finansowe marki. Nie ma również sensu zatrudniać 98 osób, które myją podłogi, ani personelu odpowiadającego za salony wystawowe, jeśli nie ma czego sprzedawać. Cała organizacja funkcjonuje dopiero, gdy obecne są wszystkie jej elementy. Tak samo jest w przypadku naszych genomów.

Kolejnym zaskakującym odkryciem po zsekwencjonowaniu genomu człowieka było uświadomienie sobie, że niezwykłej złożoności ludzkiej anatomii, fizjologii, inteligencji i zachowania nie da się wyjaśnić za pomocą klasycznych modeli genów. Jeśli chodzi o liczbę genów kodujących białka, to ludzie mają ich mniej więcej tyle, ile proste mikroskopijne nicienie (około 20 000). Jeszcze bardziej zdumiewa to, że większość genów nicieni ma bezpośrednie odpowiedniki u ludzi.

Kiedy badacze głębiej przeanalizowali, co na poziomie DNA odróżnia ludzi od innych organizmów, stało się jasne, że geny nie mogą stanowić wyjaśnienia. W istocie tylko jeden czynnik genetyczny na ogół szedł w parze ze złożonością. Jedynymi cechami genomu, których liczba rosła wraz ze wzrostem złożoności zwierząt, były regiony śmieciowego DNA. Im bardziej złożony organizm, tym większy procent zawartego w nim śmieciowego DNA. Dopiero teraz naukowcy naprawdę rozważają kontrowersyjną ideę, że śmieciowy DNA może stanowić klucz do ewolucyjnej złożoności.

Pod pewnymi względami problem stwarzany przez te dane jest dość oczywisty. Jeśli śmieciowy DNA jest tak ważny, to co właściwie robi? Jaką odgrywa rolę w komórce, jeśli nie koduje białek? Staje się jasne, że w istocie śmieciowy DNA pełni wiele różnych funkcji, co w sumie nie powinno zaskakiwać, skoro jest go tak dużo.

Część śmieciowego DNA tworzy specyficzne struktury w chromosomach – ogromnych cząsteczkach, w których upakowany jest nasz DNA. Śmieciowy DNA zapobiega rozwinięciu się i uszkodzeniu naszego DNA. Gdy starzejemy się, te regiony stają się coraz mniejsze, aż w końcu przekraczają krytyczne minimum. Wówczas nasz materiał genetyczny staje się podatny na potencjalnie katastrofalne w skutkach przestawienia, które mogą prowadzić do śmierci komórek lub nowotworów. Inne strukturalne regiony śmieciowego DNA pełnią funkcję punktów przyczepu, kiedy chromosomy są równo dzielone między różnymi komórkami potomnymi w trakcie podziału komórkowego. (Termin „komórka potomna” odnosi się do każdej komórki tworzonej w wyniku podziału komórki rodzicielskiej). Jeszcze inne regiony pełnią funkcję izolacyjną, ograniczając ekspresję genów do specyficznych regionów chromosomów.

Duża część naszego śmieciowego DNA nie pełni jednak wyłącznie funkcji strukturalnej. Nie koduje białek, ale koduje inny rodzaj cząsteczki, określany mianem RNA. Ten śmieciowy DNA tworzy w komórce fabryki, pomagając w ten sposób produkować białka. Inne rodzaje cząsteczek RNA transportują do fabryk surowce potrzebne do ich produkcji.

Niektóre regiony śmieciowego DNA są genetycznymi intruzami, wywodzącymi się z genomów wirusów i innych mikroorganizmów, które wśliznęły się do ludzkich chromosomów niczym genetyczni uśpieni szpiedzy. Pozostałości tych od dawna już martwych organizmów potencjalnie zagrażają komórce, osobnikowi, a czasem nawet całym populacjom. Komórki ssaków wytworzyły wiele mechanizmów umożliwiających wyciszenie wirusowych elementów, ale mechanizmy te mogą ulec uszkodzeniu. Kiedy tak się stanie, to skutki mogą być względnie łagodne – na przykład zmiana ubarwienia futra u danego szczepu myszy, ale też znacznie bardziej dramatyczne – na przykład zwiększenie ryzyka nowotworu.

Główną rolą śmieciowego DNA, dostrzeżoną dopiero w ostatnich kilku latach, jest regulacja ekspresji genów, która czasem może wywierać ogromny i zauważalny wpływ na osobnika. Pewien konkretny fragment śmieciowego DNA jest absolutnie niezbędny do zagwarantowania zdrowego wzorca ekspresji genów u zwierząt płci żeńskiej. Skutki jego działania dostrzegane są w wielu różnych sytuacjach. Prozaicznym przykładem jest kontrola wzorców ubarwienia futra u kotów o umaszczeniu szylkretowym. W najskrajniejszym przypadku ten sam mechanizm wyjaśnia również, dlaczego identyczne bliźnięta płci żeńskiej mogą mieć odmienne objawy jakiejś dziedzicznej choroby genetycznej. Czasem może to przyjmować tak skrajną formę, że jedno z bliźniąt ma poważne, zagrażające życiu zaburzenie, a drugie jest zupełnie zdrowe.

Podejrzewa się, że tysiące regionów śmieciowego DNA reguluje sieci ekspresji genów. Działają one niczym wskazówki sceniczne w genetycznym scenariuszu, ale o złożoności, której nigdy nie widzielibyśmy w teatrze. Zapomnijmy o wskazówce: „Wychodzi, ścigany przez niedźwiedzia”2. Należałoby mówić raczej o czymś w tym rodzaju: „Jeśli grasz Hamleta w Vancouver i Burzę w Perth, to zaakcentuj czwartą sylabę tego wersu Makbeta, chyba że w Mombasie jakaś amatorska grupa gra Ryszarda III, a w Quito pada deszcz”.

Badacze dopiero zaczynają odkrywać niuanse i korelacje w ogromnych sieciach śmieciowego DNA. Ten obszar badań budzi kontrowersje. Na jednym krańcu mamy naukowców utrzymujących, że dane eksperymentalne nie potwierdzają niekiedy bardzo daleko idących wniosków. Na drugim krańcu znajdują się ci, którzy czują, że całe pokolenie (albo i więcej) naukowców kurczowo trzyma się przestarzałego modelu i nie jest w stanie dostrzec lub zrozumieć nowego ładu świata.

Problem polega na tym, że narzędzia, które możemy wykorzystać do zbadania funkcji śmieciowego DNA, wciąż są dość słabo rozwinięte. Czasem może to utrudniać badaczom posłużenie się metodami eksperymentalnymi w celu sprawdzenia ich hipotez. Pracujemy nad tym względnie od niedawna. Niekiedy musimy jednak pamiętać, aby odejść od stołu laboratoryjnego i maszyn, którymi się wspomagamy. Wyniki eksperymentów otaczają nas każdego dnia, ponieważ przyroda i ewolucja miały miliardy lat na wypróbowanie wszelkich rodzajów zmian. Nawet krótka geologiczna chwila, która reprezentuje pojawienie się i rozprzestrzenienie naszego gatunku, wystarczyła do przeprowadzenia większej liczby eksperymentów, niż mogą pomarzyć ludzie w fartuchach laboratoryjnych. W związku z tym w niniejszej książce przedrzemy się przez ciemność, trzymając w dłoni pochodnię ludzkiej genetyki.

Istnieje wiele sposobów na rzucenie światła na ciemną materię naszego genomu. My zaczniemy od pewnego osobliwego, ale bezspornego faktu, który będzie stanowił dla nas punkt zaczepienia. Niektóre choroby genetyczne są powodowane przez mutacje w śmieciowym DNA i prawdopodobnie nie ma lepszego punktu wyjścia do naszej podróży po ukrytym uniwersum genomu.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

1 W. Shakespeare, Romeo i Julia, tłum. M. Słomczyński, Wydawnictwo Zielona Sowa, Kraków 2000, s. 43 (przyp. tłum.). ↩

2 Jest to słynna wskazówka sceniczna w sztuce Opowieść zimowa pióra Williama Szekspira. Por. W. Shakespeare, Opowieść zimowa, tłum. S. Rossowski, w: Dzieła Williama Szekspira, t. 5: Dramaty fantastyczne, wyd. 2, Księgarnia Polska, Lwów 1895, s. 69–165 (przyp. tłum.). ↩