Aksjomaty i hipotezy biologii molekularnej

Im bardziej zaglądamy do wnętrza komórki, tym bardziej widać złożony mechanizm jej działalności metabolicznej. Badamy małe trybiki, nie rozumiejąc działania całego mechanizmu.


Fot. iStock/Getty

Nad identyfikacją genów związanych z funkcjonowaniem mitochondriów i starzeniem się, od ponad 20 lat, zgłębiając tajemnice jednego z 25 tys. ludzkich genów – genu suv 3 – w Instytucie Genetyki i Biotechnologii UW i w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN pracuje prof. Piotr Stępień z zespołem. Były stypendysta Fundacji von Humboldta w Instytucie Medycyny Eksperymentalnej w Getyndze, stażysta w Narodowym Instytucie Badawczym w Ottawie i w Centrum Medycznym Uniwersytetu w Teksasie jest jednak rozczarowany, że biolodzy molekularni – w tym on sam – nie potrafili po kilkudziesięciu latach połączyć jednostkowych badań i fragmentarycznych obserwacji w jedną teorię na podobieństwo teorii względności czy teorii kwantowej w fizyce.

Prof. Stępień przyznaje, że dotąd nie jest pewien, jak białko kodowane poprzez gen suv 3 działa w jądrze, a jedynie prawie pewien, jak uczestniczy ono w degradacji RNA w mitochondriach. Jest to spowodowane tym, że pojedynczy gen może kodować wiele białek, a każde z nich może być inaczej modyfikowane (acetylowane, glikozylowane), znajdować się w różnych miejscach w komórce i pełnić różne funkcje. Suv 3 jest helikazą – białkiem, które rozplata kwasy nukleinowe – i zapewne w obu tych lokalizacjach funkcję biochemiczną ma taką samą (rozplata DNA lub RNA), ale jego rola jest inna. „Miniaturowy genom mitochondrialny człowieka ma zaledwie ok. 16 kpz i koduje 13 podjednostek kompleksów fosforylacji oksydacyjnej, oraz zestaw rRNA i tRNA, niezbędnych do translacji tych białek. Zaburzenia w funkcjonowaniu mitochondriów są przyczyną wielu stanów patologicznych: m.in. starzenia się, nowotworów i chorób neurodegeneracyjnych. Dlatego też badania nad mechanizmami ekspresji genomu mitochondrialnego są bardzo istotne” – informuje na stronie Instytutu PAN.

Gen suv 3, początkowo przez profesora badany na drożdżach, okazał się obecny także u człowieka. Informację o tym znalazł on w czasopiśmie „Nature”, w pracy znanego genetyka Craiga Ventera, pioniera sekwencjonowania genomów. Wśród pierwszych kilkuset genów ludzkich zidentyfikowanych przez Ventera znalazła się sekwencja genu z drożdży suv 3 – ta sama, co w drożdżach – ale w genie człowieka! I tak prof. Stępień zaczął wraz ze swoim zespołem badać „swój” gen u człowieka. Podobną drogę zmiany badawczego modelu zwierzęcego na ludzki przeszła większość biologów molekularnych. Okazało się, że białko suv 3 w mitochondriach pełni funkcję w degradacji RNA. A na pytanie o jego miejsce w jądrze odpowiedź się znalazła: jest w jąderkach – miejscu syntezy rybosomalnych RNA. Ustalenie, co to białko robi w jąderku, to zadanie dla przyszłych pokoleń – sądzi profesor.

Jeśli gen suv 3 usunie się z myszy, zwierzęta starzeją się przedwcześnie i umierają młodo, co sugeruje, że ten gen może być związany z procesami starzenia. Tak więc, mimo intensywnych badań nad suv 3, nadal nie ma jasności co do jego wszystkich funkcji. Tak skomplikowany jak on – w sensie działania, występowania w różnych miejscach i animowania działalności komórki – prawdopodobnie jest każdy z 25 tys. genów. Ponadto geny wzajemnie na siebie oddziałują, a występujące w nich polimorfizmy mogą wpływać na różne cechy organizmu. Na to nakłada się jeszcze poziom regulacyjny genów przez RNA.

Za największe odkrycie ostatnich lat prof. Stępień uważa mikrochirurgię genową. W fenomenalny sposób wykorzystano do tego celu naturalny mechanizm obronny bakterii. Najpierw zauważono w bakteriach atakowanych przez wirusy bakteryjne (fagi) powtórzone DNA fagów w postaci kawałków rozrzuconych po genomie tej bakterii. Okazało się, że jest to rodzaj immunologicznej ochrony bakterii przed fagiem, z którym się już kiedyś zetknęła – zinaktywowała go i przeżyła, a jego kawałki wbudowała we własny genom. Bakteria ma specyficzną DNA-zę, która korzysta z tych kawałków fagowego DNA, i staje się ultraspecyficzną DNA-zą, która potrafi za pomocą specyficznych fagowych RNA rozpoznać na swoim terytorium intruza – faga i przeciąć jego DNA. Można to porównać do adresowania listu do kogoś z miasteczka mającego 25 tys. mieszkańców – adres na liście to seria znaków z użyciem kodu 25-literowego, ale daje się zrobić takie adresowanie za pomocą cząsteczki RNA. Tak więc odkryto kompleks, będący białkiem i RNA, który potrafi przeciąć DNA dokładnie w tym miejscu, które RNA wskazuje. Jennifer Doudna (Uniwersytet w Berkeley) i Emmanuelle Charpentier odkryły technologię – nazwaną CRISPR-Cas9 – wyizolowały ten kompleks i pokazały, że on rzeczywiście tnie. Opublikowały to, napisały: „To, co zrobiłyśmy, pokazuje, że w ten sposób można modyfikować wszystkie komórki eukariotyczne”. Jeśli bowiem dodamy RNA o sekwencji, którą uważamy za ważną, to DNA w komórce zostanie przecięte w tym miejscu, a jeżeli coś się przetnie, to łatwo w tym miejscu coś wstawić. Dodajemy nasze DNA i wtedy w miejscu przez nas wybranym coś wstawiamy, możemy także usunąć precyzyjnie jakiś fragment DNA. Genialne! Tylko że badaczki zrobiły to na komórce roślinnej. Wtedy Feng Zhang z Broad Institute w Massachusetts Institute of Technology w Harvardzie – badacz nazywany Midasem, bo wszystko, czego się dotknie, zamienia w naukowe złoto – wziął całą technologię z publikacji Doudna i Charpentier i zrobił to samo w komórce ludzkiej. Pokazał, że DNA komórki ludzkiej można modyfikować za pomocą takiej ultraprecyzyjnej mikrochirurgii – wstawiać lub zamieniać gen – i wystąpił o patent i sławę. I wygrał proces. Sytuację tę prof. Stępień porównuje do najsłynniejszego zdania w historii biologii molekularnej, kończącego publikację nt. odkrycia struktury DNA noblistów Francisa Cricka i Jamesa Watsona: „Nie uszło naszej uwadze, że nasz model… może wyjaśniać mechanizm kopiowania informacji genetycznej”. Uwadze badaczek zaś nie uszło… że można zmodyfikować każdą komórkę! Pozostaje otwarte pytanie, kto bardziej zasłużył na Nagrodę Nobla… Po doświadczeniu Zhanga tsunami technologii CRISPR-Cas9 przeszło przez laboratoria na całym świecie. Genetyka zyskała bowiem narzędzie pozwalające zmodyfikować żywą komórkę, dokonywać na niej precyzyjnych operacji, by dowiedzieć się np., które miejsce na jej chromosomie za co odpowiada. Wydajność i precyzja tej nowej technologii przewyższają wszystkie znane dotychczas techniki manipulacji genetycznych. Aż kilkadziesiąt procent komórek poddanych tej procedurze ulega modyfikacji, zaś procent off target (niedostarczenia pod właściwy adres) jest niewielki.

Ostatnie lata przyniosły także niebywały postęp w szybkości sekwencjonowania DNA oraz w obniżeniu ceny takiej procedury. Jeszcze w 2000 r. uzyskanie pierwszej pełnej sekwencji DNA człowieka kosztowało 3 mld dolarów i wiele lat pracy. Obecnie to samo można zrobić w kilka dni kosztem poniżej jednego tysiąca dolarów. Oznacza to, że dysponujemy coraz większą ilością danych i możemy próbować tropić geny odpowiedzialne za cechy organizmu (skłonności do pewnych schorzeń, uzdolnienia, inteligencja, predyspozycje np. do uprawiania sportu, preferencje seksualne). Jednak kryje się tutaj duży problem, bowiem nadal niewiele wiemy. Ogromna liczba 25 tys. genów, niwelowanie wykrytych korelacji przez inne geny (nawet korelacje mocne, kilkudziesięcioprocentowe, nie są 100-procentowe, w większości wynoszą 2-5% i nie są addytywne, czyli nie sumują się), do tego dochodzi wpływ środowiska; nawet bliźnięta jednojajowe nie są identyczne. Modyfikuje nas już środowisko wewnątrzmaciczne w łonie matki, w dzieciństwie podlegamy przypadkowym niedoborom, a gdy nie są kompensowane, będą wpływać na nasz fenotyp przez całe życie.

Czego jeszcze nie wiemy lub nie potrafimy? Nie potrafimy stworzyć życia w próbówce, nie wiemy nawet, jak się do tego zabrać. Craig Venter – przywoływany tu badacz – postanowił sprawdzić, jaka jest najmniejsza liczba genów, przy której organizm pozostaje żywy. Redukował geny u bakterii mycoplasma genitalium (pasożyt wewnątrzkomórkowy). Przy granicy ok. 300 nie dało się już ich dalej redukować. Ale to nie było tworzenie życia, tylko docinanie różnych aspektów życia bakterii, aż do pozbawienia jej niemal wszystkiego, przy czym pozostawała ona nadal żywym organizmem – co też jest zagadkowe. Komórki z wyizolowanymi częściami składowymi (jądro, cytoplazma, mitochondria, błona komórkowa itd.) nie umiemy złożyć z powrotem. Elementy materii ożywionej rozłożone na drobne organelle nie dają się poskładać w żywy organizm. Nie mówiąc o budowaniu żywego organizmu z cegiełek elementarnych: aminokwasów, zasad itd.

Biologia molekularna ustala związek między budową substancji wielocząsteczkowych, głównie DNA, RNA i białek, a rolą, jaką pełnią one w komórce. Bada organizację organelli komórkowych i molekularne podłoże ich funkcjonowania. Jej centralnym dogmatem jest przepływ informacji genetycznych od DNA do RNA, do białek, co generuje ekspresję genów kodujących białka. Inne aksjomaty to identyczne we wszystkich organizmach żywych na Ziemi reguły kodu genetycznego; system regulacji cyklu komórkowego; obecne w błonach komórkowych wszystkich organizmów żywych kanały jonowe; maszyneria replikacyjna DNA; systemy naprawy DNA; mechanizmy regulujące procesy życiowe organizmu; rola enzymów determinujących procesy metaboliczne i biochemiczne związane z funkcjonowaniem organizmów żywych; potranslacyjna rola epigenetyki itd.

Synteza tych informacji – zebranie odkryć badawczych z milionów laboratoriów na świecie – wydaje się niemożliwa bez zaangażowania mocy informatycznych i to w ich języku zapewne zostanie ostatecznie zapisana teoria życia, biologiczny wzór świata E = mc2. Może biologia molekularna czeka na podobne wydarzenie, jak zarejestrowanie w 2016 r. fal grawitacyjnych – „osnowy wszechświata”, hipotezy w teorii Einsteina – w mikrokosmosie żywej komórki?