środa, 13 kwietnia 2016

Mutacja genetyczna, czyli dzięki czemu istniejesz

DNA
Mutacja to takie fajne słowo. Intuicyjnie ten, kto miał do czynienia z biologią zgadnie, że dosłownie oznacza zmianę. O ile wcześniej już tego nie wiedział. Nastolatkom kojarzy się ono zapewne najczęściej z modyfikacją głosu, wyraźną szczególnie u chłopców. Jeżeli czytacie fantastykę, to prawdopodobnie zwróciliście uwagę na wykorzystywanie motywu mutanta. Kto grał w pierwszą część polskiej gry Wiedźmin (The Witcher)? Od pewnego momentu fabuły zmutowani stanowią ważniejszych przeciwników. Temat mutacji genetycznych w kontekście naszego zdrowia i rozumienia świata, tak rzeczywistego, jak i w ramach szeroko pojętej kultury i sztuki jest tak istotny, że zdecydowanie warto, a może wręcz należy orientować się w jego podstawach. Czym więc jest mutacja i jakie to ma dla nas znaczenie?

Informacja genetyczna

kałuża
Pixabay
Na początku, by móc zrozumieć czym są mutacje, trzeba wiedzieć jakie są fundamenty funkcjonowania informacji genetycznej i jak jest ona zorganizowana. Cząsteczka DNA jest replikatorem – ulega powielaniu. Jeżeli życie definiujemy m.in. jako byt zdolny do rozmnażania (co w odniesieniu do organizmów na naszej planecie jest jednym z podstawowych kryteriów), to by coś było żywe, musi się replikować, tym samym wydając na świat kolejne pokolenia. Tak też stało się w odległej przeszłości, około 3,6 miliarda lat temu. Z cząsteczek organicznych powstały prareplikatory – przodkowie DNA. Z odpowiedniego środowiska wyłoniły się także błony biologiczne, które zostały przez owe powielacze zamieszkane. Podczas każdej kolejnej replikacji istniała szansa, że nastąpi jakaś podmiana i w danym miejscu wstawiony zostanie inny pranukleotyd, niż u „rodzica”. Dzięki temu zjawisku zaczął się proces ewolucji. Prareplikatory, które lepiej się rozmnażały i skuteczniej wykorzystywały dostępne w środowisku związki azotowe (a robiły to poprawniej dzięki zaistniałym mutacjom), zwiększały udział swojego „potomstwa” w przyszłych pokoleniach. Proces ten tak samo jak niegdyś zachodził wśród prymitywnych, samoreplikujących się cząsteczek organicznych, tak dotyczy nas i dziś. Różnica polega na tym, że nasze DNA schowane jest w komórkach, które są zabezpieczone w tkankach, te z kolei tworzą narządy, składające się na cały organizm.

Ktoś mógłby zapytać: ale dlaczego obecnie nie obserwujemy powstawania takich pierwotnych replikatorów z materii organicznej? Na to pytanie odpowiecie sobie, jeśli pomyślicie o bakteriach i ogólnie mikroorganizmach. Kiedy owe nie istniały, nie było czegoś, co mogłoby rozkładać zaistniałe prareplikatory. Dziś mamy już bakterie, powstałe na skutek ewolucji tychże, wytworzonych około 3,6 miliarda lat temu. Odpowiedź tę można rozszerzyć o zawartość tlenu. Jeżeli przyjmiemy, że jego stężenie było na planecie niższe lub bliskie zeru w momencie powstania prareplikatorów, a pamiętamy jednocześnie, że tlen to cząsteczka bardzo reaktywna, toksyczna, to zdamy sobie sprawę z tego, że jego późniejsza obecność mogła uniemożliwić zachodzenie biogenezy. Przyczyn współczesnego braku obserwacji takich zjawisk może być zdecydowanie więcej. Na przykład nie dotarliśmy do środowiska, w którym taki proces mógłby zajść.

replikacja
Replikacja, Pixabay

Żeby przodkowie DNA mogli zorganizować się w komórki, tkanki i organy, musieli stworzyć coś, co pozwoliłoby im na kierowanie swoim rozwojem. Ewolucja takich narzędzi, które nazywamy dziś ogólnie mechanizmami ekspresji genów (i jej regulacji) nie była rzecz jasna świadomym planem tychże cząsteczek. Najzwyczajniej te, których mutacje w kolejnych pokoleniach umożliwiały powstanie takich mechanizmów, a dalej usprawniały je, były lepiej dostosowane do środowiska. Przetrwały, wydały liczniejsze „potomstwo” i tym samym następowała dalsza ewolucja procesu transkrypcji, translacji, zjawisk regulujących ich zachodzenie. Zmieniał się także kod genetyczny, mówiący o tym, jaka trójka nukleotydów koduje jaki aminokwas podczas biosyntezy białka (translacji). Po powstaniu prareplikatorów i prakomórek doniosłym wydarzeniem było tworzenie kolonii, które, według najbardziej prawdopodobnych hipotez, dały początek wielokomórkowcom. Te były w stanie specjalizować się w określone rodzaje komórek (np. mięśniowe czy nerwowe) i dały ogromne możliwości dalszej ewolucji życia, które obserwujemy każdego dnia przeglądając się w lustrze, a które z pewnością jeszcze się nie wyczerpały i najpewniej nie mają dna.

kariotyp człowieka
kariotyp mężczyzny, National Human Research Institute, www.genome.gov
Dziś świat istot żywych dzielimy u podstawy na dwie grupy – jądrowce (eukarionty) i bezjądrowe (prokarionty, przedjądrowce). Jednym z kolejnych etapów ewolucji mechanizmów panowania nad informacją genetyczną było z całą pewnością utworzenie jądra. W nim komórka umiejscowiła to, co najcenniejsze, czyli DNA (lub w przeszłości jego przodka). Obecnie występuje ono u jądrowców w formie chromosomów. Człowiek ma ich 23 pary. Jeden chromosom, to jeden łańcuch DNA, nawinięty na białka – histony, wraz z którymi tworzy chromatynę. Łańcuch ten zbudowany jest z wspomnianych już nukleotydów, które tworzą określone sekwencje, kodujące białka lub funkcjonalne RNA bądź też będące elementami niekodującymi, a odpowiadającymi za regulację ekspresji czy pozwalające na alternatywne składanie genów po transkrypcji (ten kawałek wytniemy, tamten zostawimy, dzięki czemu z jednej sekwencji otrzymamy różne białka) albo istniejące jako szczątkowe „śmieci” ewolucyjne, nie pełniące żadnej funkcji.

Mutacje genetyczne

mutacje genetyczne
Yassine Mrabet, Wikimedia
Tak jak już napisałem, podczas podziału komórkowego zachodzi replikacja DNA. W trakcie tego procesu zawsze istnieje ryzyko, że wystąpi błąd. Kopiując określony fragment chromosomu, enzym o nazwie polimeraza wstawi nie ten nukleotyd, co trzeba lub jeden nukleotyd nie zostanie dodany bądź też pojawi się nukleotyd nadliczbowy. To jest właśnie mutacja punktowa, która powstała w określonym genie. Jeżeli naszej sekwencji ubędzie więcej, niż jednego nukleotydu bądź też dodatkowe cegiełki zostaną dodane w nadmiarze, to będziemy mieli do czynienia z mutacją genową. Mutować mogą także całe chromosomy. Na przykład gdy jakiś fragment chromosomu „pęknie” i odpadnie, to mamy do czynienia z delecją. Jeśli zostanie nadmiernie doreplikowany – z duplikacją. Jeżeli odwróci się o 180 stopni to z inwersją. Gdy zajdzie wymiana fragmentów chromosomów z różnej pary, mówimy o translokacji. Kawałek jednego chromosomu może też przyczepić się do końcówki innego chromosomu, a mutację taką nazywamy tandem fuzją. Wreszcie, mamy do czynienia z mutacjami całych genomów, czego przykładami są trisomie, tetrasomie, monosomie – nadmiar lub niedobór chromosomów. Występują one na skutek błędów pojawiających się w trakcie rozwoju plemników lub oocytów, a więc mutacje pojawiają się zarówno przy podziałach mitotycznych, czyli w komórkach somatycznych, jak i podczas mejozy, czyli w trakcie gametogenezy, w komórkach generatywnych (płciowych, rozrodczych).

crossing-over
crossing-over, Masur, Wikimedia
Wróćmy teraz do szerszego spojrzenia na kwestię mutacji. Tak jak już padło, są one jednym ze zjawisk zapewniających zmienność organizmom i tym samym umożliwiającym ewolucję, której bez przekształceń z pokolenia na pokolenie by nie było. Jeszcze jednym ważnym czynnikiem zmienności jest rekombinacja (również będąca, nieściśle rzecz biorąc, mutacją), czyli crossing-over, zachodząca podczas mejozy, oczywiście u organizmów rozmnażających się płciowo. Jest to nic innego, jak tasowanie między chromosomami homologicznymi, w wyniku czego zwiększa się bioróżnorodność. Kierunkowość rekombinacji polega na tym, że te komórki generatywne, będące po crossing-over, dostąpią zaszczytu stworzenia zygoty, których właściciele lepiej radzili sobie w środowisku: skutecznie zdobywali pokarm, unikali wrogów i znaleźli partnera seksualnego. Trzecim, choć niekoniecznie ostatnim elementem zmienności genetycznej jest horyzontalny transfer genów, zwany inaczej poziomym. U zwierząt ma miejsce dzięki wirusom, które przenoszą z jednych organizmów na drugie jakieś sekwencje DNA, u mikroorganizmów natomiast zachodzi poprzez koniugację – bakterie wymieniają się sekwencjami informacji genetycznej. Ponadto gdy bakteria wchłonie określoną sekwencję DNA np. innej bakterii i jej nie strawi, to ma szansę na włączenie jej do swojego genomu. Pewnego rodzaju zmienność zapewnia także wzór metylacji DNA, jego dziedziczenie i modyfikacje na skutek oddziaływania czynników środowiskowych.

horyzontalny transfer genów
horyzontalny transfer genów,
 dr Barth F. Smets
Podstawową przyczyną, jaka zapewnia występowanie mutacji, jest wspomniana już replikacja i szansa wystąpienia błędu w czasie jej trwania. Istnieją jednak czynniki, które zwiększają ryzyko zajścia mutacji bądź też bezpośrednio ją wywołują. Jednym z nich są wirusy. Mogą wniknąć na stałe do genomu jakiegoś organizmu, co nazywamy wymienionym już horyzontalnym transferem genów, ale wnikając dodają swoją sekwencję, która zmieni wcześniejszy ciąg nukleotydów. Zmodyfikowany fragment DNA może kodować inną kolejność aminokwasów w białku. Może spowodować przesunięcie ramki odczytu w trakcie translacji, co okazuje się często szczególnie istotne. Nie każda bowiem mutacja jest w ogóle zauważalna. Wiele z nich ma charakter neutralny – zmutowana sekwencja i tak koduje taki sam łańcuch białkowy lub podmienione aminokwasy nie mają większego znaczenia dla funkcjonalności kodowanego białka.

Jeśli z kolei porównamy częstość mutacji negatywnych (wywołujących choroby, np. nowotworowe) do mutacji pozytywnych, to jak to często bywa – dużo łatwiej jest napsuć, niż poprawić, lecz pozytywne mutacje także się zdarzają. Przykładem takiej mutacji jest np. zmiana receptora (będącego białkiem), z którym oddziałuje HIV. Ludzie noszący tę mutację są odporni na tego wirusa. Jest ich stosunkowo niewiele, bo wirus ten stał się w populacji ludzi powszechny niedawno. Gdyby męczył ludzkość od wieków, przetrwali by ci, którzy posiadaliby tę mutację i tym samym byłaby dziś ona szeroko rozpowszechniona. Z drugiej strony, przed inwazją owego wirusa, mutacja ta najpewniej była zbędna, neutralna. Co nam to mówi? Jest to najważniejszy element, o jakim informuje nas teoria ewolucji – mutacje są weryfikowane (preferowane, czyli pozytywne lub odrzucane, czyli zmniejszające rozrodczość, negatywne) przez dobór naturalny, tj. przez czynniki środowiskowe.

ewolucja molekularna
http://biology.kenyon.edu
Naturalnie, wiedząc już to o czym wyżej, dzięki zachodzeniu mutacji, które stymulują ewolucję biologiczną, po zsekwencjonowaniu genomów różnych gatunków organizmów możemy sprawdzić, jak ewoluowało ich DNA. Jest to praca trudna, ale uogólniając, polega na porównywaniu sekwencji nukleotydów. Jeżeli mamy prawie taki sam fragment, z niewielką różnicą, możemy przypuszczać, że ewoluował on u obu grup ze wspólnego przodka. Możemy oczywiście założyć też, że mutował wielokrotnie i przypadkowo jest bardzo podobny u jednej i drugiej grupy organizmów. Podobieństwo może wynikać jeszcze z jednej rzeczy – horyzontalnego transferu genów. Gdy wirus przeniesie określoną sekwencję z jednego gatunku na drugi, to choć sekwencja ta nie pochodzi od ich wspólnego przodka, wstępnie jako taka może być rozpatrywana. Do wyszukiwania podobieństw i wykluczania opisanych fałszywych pokrewieństw sekwencji wykorzystuje się programy komputerowe o odpowiednich algorytmach. Gdy pokrewieństwo jakichś sekwencji DNA lub białek zostanie już prawidłowo uzgodniona, to na tej podstawie układamy ich drogę ewolucji. Gdy chcemy ustalić ewolucję całych gatunków, metodę tę wykorzystuje się także w odniesieniu do datowań skamieniałości form pośrednich oraz do innych danych.

Stwierdzenie, że gdyby nie mutacje, to nie byłoby nas tutaj jest prawdziwe. Faktem jest też, że gdyby nie mutacje, to nie chorowalibyśmy na nowotwory, przy czym, gdyby tych mutacji nie było, to oczywiście nie miałby kto chorować. Po ziemi chodzą szczęśliwcy, u których zaszła mutacja, która w warunkach, w których żyją, okazała się być przydatna. Miliony pechowców umarło, bo zaszła w ich organizmie ważna, szkodliwa mutacja. Stosownie będzie chyba zakończyć ten artykuł cytatem biologa, Richarda Dawkinsa z książki „Rozplatanie tęczy”: „Umrzemy i to czyni z nas szczęściarzy. Większość ludzi nigdy nie umrze, ponieważ nigdy się nie narodzi. Ludzi, którzy potencjalnie mogliby teraz być na moim miejscu, ale w rzeczywistości nigdy nie przyjdą na ten świat, jest zapewne więcej niż ziaren piasku na pustyni. Wśród owych nienarodzonych duchów są z pewnością poeci więksi od Keatsa i uczeni więksi od Newtona. Wiemy to, ponieważ liczba możliwych sekwencji ludzkiego DNA znacznie przewyższa liczbę ludzi rzeczywiście żyjących. Świat jest niesprawiedliwy, ale cóż, to właśnie myśmy się na nim znaleźli, ty i ja, całkiem zwyczajnie.” Rzecz jasna wszystkie te możliwości, nieskończenie wiele potencjalnych kombinacji DNA, zawdzięczamy istnieniu mutacji.

Literatura
Douglas J. Futuyma. Ewolucja. Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego. Warszawa 2008.
Paul G. Higgs, Teresa K. Attwood. Bioinformatyka i ewolucja molekularna. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2011.
Winter P., Hickey I., Fletcher H. Krótkie wykłady. Genetyka. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa 2013.

 https://web.facebook.com/polowanienazdrowie/

3 komentarze:

  1. Popraw mnie, jeżeli się mylę, ale czy rekombinacja nie jest pojęciem szerszym niż crossing-over?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Tak, szerzej patrząc to za rekombinacje uznaje się też segregację chromosomów (które chromosomy trafią do oocytu/spermatocytu, który stworzy w przyszłości zygotę) oraz łączenie się przedjądrzy w kom. jajowej po zapłodnieniu.

      Usuń