1.03. Chromosomy
Barwne ciałka w kształcie litery X, które zauważono pod mikroskopami wewnątrz jądra komórkowego roślin i zwierząt w początkach XIX wieku, nazwano chromosomami. Policzono u różnych gatunków oraz posortowano według wielkości.
Skondensowana postać chromosomów, najlepiej zauważalna w metafazie podziału komórkowego, u eukariotów przybiera kształt – bardziej lub mniej – podobny do litery X. Ramiona chromosomu zbudowane są z dwóch identycznych struktur nazwanych chromatydami (chromosomami siostrzanymi), z przewężeniem w jednym miejscu nazywanym centromerem (przewężenie pierwotne). Takie skręcenie nici DNA – skondensowane, lecz luźne – pozwala na odczytywanie informacji z wielu miejsc jednocześnie. U prokariotów jest to niemożliwe. Podwójna helisa DNA przybiera u nich kształt kolisty, a odczytanie informacji jest możliwe tylko z jednego miejsca – początku nici, po nitce do środka kłębka.
Jeżeli gen nazwaliśmy paletą cegiełek, to chromosom byłby kontenerem z tymi paletami. Chromosom jest sposobem organizacji genów w chemicznej strukturze, zapewniającej jego trwałe istnienie oraz możliwość replikacji – a wszystko zgrabnie upakowane w jądrze komórki. W chromosomach geny są rozmieszczone w różnych miejscach i są rozdzielone niekodującymi odcinkami DNA. Kontenery są różnej wielkości i kształtu, a co najdziwniejsze – komplet genów odpowiedzialnych za budowę jednego organu lub wybraną funkcję organizmu – może być zapakowany w różnych paczkach. Geny o podobnych funkcjach mogą być rozrzucone po chromosomach. Oprócz specjalistycznych chromosomów płci nie ma podziału na chromosomy rąk, nóg czy mózgu.
A może sposób takiego pakowania stanowi pośredni dowód ewolucji? Najpierw gen budował organ o wybranej funkcji, a późniejsze mutacje spowodowały, że zmieniała się nie tylko jego budowa, ale również dochodziły nowe funkcje. Ale w paczce nie było już miejsca na przekazanie tych dodatkowych informacji – dlatego upakowano je w innej, którą wrzucono do następnego kontenera.
1.03.01. Budowa chromosomu
1.03.01.01. Stałe miejsce
Adres – locus – każdej paczki genu w chromosomie jest stały – nawet dla różnych gatunków. A allele – czyli wersje genu odpowiedzialne za dziedziczenie dominujących lub recesywnych cech – zawsze zajmują te samo loci. Allele tego samego genu różnią się najwyżej kilkoma nukleotydami, lecz to wystarcza do określenia koloru włosów czy oczu, a nawet czy splatając dłonie na wierzchu trzymamy lewy czy prawy kciuk.
1.03.01.02. Centromery
Centomery to miejsce, w którym ramiona chromatyd się zbiegają. W tym miejscu – a dokładniej w kinotochorze – rozpoczyna się również podział chromosomów.
Gdy centromer położony jest dokładnie w połowie chromosomu – nazywa się go chromosomem metacentrycznym (u człowieka są jedynie dwa takie chromosomy – 2 i 19). Podzielenie chromosomu na dłuższe (q) i krótsze (p) ramion jest specyficzne dla chromosomu submetacentrycznego (u człowieka najwięcej – 15 oraz X). Gdy centromer jest bardzo blisko końca chromatyd, to taki chromosom nazywamy akrocentrycznym (u człowieka to chromosomy 13, 14, 15, 21, 22 i Y). Odmiana chromosom telocentrycznego, u którego centromer położony jest na końcu chromosomu, nie występuje u człowieka.
1.03.01.03. Telomery
Najbardziej znamienne jest zakończenie ramion chromatyd u eukariotów. Znajdują się tam sekwencje nukleotydów tworzących telomery. Te powtórzone zespolenia są niezbędne do zapewnienia stabilności chromosomów. Chronią końcówki ramion przed ubytkami (degradacją) oraz nie dopuszczają do zlepienia się końcówek różnych chromosomów. Telomery nie zawierają żadnych genów – więc nie kodują białek – ale to element strukturalny chromosomu zapewniający mu stabilność. Każdy chromosom ma dwa telomery umiejscowione na jego końcach, czyli w każdej komórce człowieka występują w sumie 92 telomery TTAGGG.
Większość naszych komórek ulega podziałom, po których telomery zostają skrócone, aż w końcu mechanizmy molekularne nie dopuszczają do dalszych podziałów – komórki nie są już zdolne do następnych i zaczynają się starzeć. Niestety, to wpływa na długość życia, nie pozwalając nam żyć wiecznie. Zauważył to w 1965 roku Leonard Hayflick w czasie obserwacji hodowli komórek – i stąd proces ten nazwano limitem Hayflicka. U człowieka w czasie zapłodnienia sekwencja telomeru jest powtórzona około 1600 razy, lecz do czasu narodzin noworodka – w czasie intensywnych podziałów komórkowych – ta liczba spada do 800 powtórzeń.
Nie oznacza to nagłej śmierci organizmu, ale zużywające się komórki w ostateczności doprowadzą do takiej awarii, że cały organizm utraci zdolność funkcjonowania. Wieloletnie badania Mary Whooley z University of California w San Francisco nad grupą 780 osób powyżej 60 lat wykazały powiązanie krótszych teleomerów z ryzykiem śmierci, a badania genetyka Richarda Cawthorna z Univeristy of Utah, który pobrał próbki DNA u grupy 143 osób od 15 do 20 lat wcześniej, potwierdziły, że śmiertelność wśród osób z krótszymi telomerami była dwukrotnie wyższa, niż u tych z dłuższymi.
Byłoby cudownie, gdyby proces podziałów komórkowych mógł trwać w nieskończoność. Genetykom zajmującym się telomerami udało się metodami inżynierii genetycznej za pomocą enzymu telomerazy opóźnić starzenie się komórek, a wysiłki zmierzające do odsunięcia czasu śmierci organizmów zostały już dwukrotnie nagrodzone Noblem. W 1946 roku otrzymał ją odkrywca telomerów Hermann J. Müller, a w 2009 roku Carol W. Greider, Elizabeth Blackburn i Jack W. Szostak otrzymali ją za odkrycie procesu telomerazy.
Niestety, poza fazą embrionalną, aktywność telomerazy ogranicza się do komórek rozrodczych oraz komórek macierzystych, które wytwarzają nowe tkanki niezbędne do życia organizmu. I pocieszeniem nie będzie fakt, że pewnym komórkom udaje się oszukać telomery. Gdyż komórkami mogącymi mnożyć się bez końca są …komórki nowotworowe.
Limit wzruszeń
Serce ssaków, uderza 1,5 miliarda razy, po czym… kończy pracę (poza sercem człowiekiem, które uderza podobno 4 miliarda razy. „Świat Wiedzy” 2011, nr 9, s. 18). Nieważne czy to serduszko przestraszonej myszy czy pompujące podczas jednego skurczu wiele litrów krwi 22 kilogramowe serducho słonia. A jeżeli weźmiemy pod uwagę, że w stresie serce musi przetłoczyć więcej krwi, można stwierdzić, że lepiej być stoikiem niż nerwusem, nieczułym draniem niż zakochanym.
Inną, wynikającą z limitu skurczów serca zależnością, jest czas życia. Wiadomym jest, że małe ssaki żyją krócej. A dzieje się tak za sprawą limitu skurczów serca. Serduszko myszy bije w rytmie 700 uderzeń na minutę, słonia tylko 25 razy. Mysz żyje rok, do półtora roku, słoń do 70 lat. Uważa się, że zwiększenie wagi o połowę, to zmniejszenie pulsu 10 krotnie i wydłużenie czasu życia. Wcześniejsze porównanie długości życia myszy i słonia na pierwszy rzut oka nie wypełnia tego warunku, ale tu trzeba wyjaśnić, że główną przyczyną śmierci słoni jest śmierć głodowa, ich serce mogłoby pompować krew przez dłuższy czas. Lecz nawet słoń traci zęby, a tym samym możliwość zdobywania pożywienia.
Z rytmu skurczów serca można wywieść i dalej idące wnioski. Dziecku trudno skupić uwagę przez dłuższy czas. W tempie uderzeń jego serca tyle się dzieje, a czas płynie tak wolno… Inaczej ludzie starsi. Dla nich czas biegnie jak szalony, pędząc ku śmierci. Różnica postrzegania czasu ma również przyczyny psychologiczne, lecz głównie jest wynikiem masy ciała i szybkości skurczów serca. Serce dziecka uderza 130 razy na minutę, a dorosłego niemal o połową mniej.
Czy czas pracy pompy sercowej ogranicza ilość przetłoczonej krwi i przyczyną awarii jest zmęczenie materiału? To prawdopodobne. Ale może być inaczej i licznik znajduje się w telomerach? Gdyby go przestawić, o wiele dłużej cieszylibyśmy się słońcem na niebie.
1.03.02. Kariotyp
Ciało człowieka zbudowane jest z 10 bilionów komórek somatycznych. A w każdej komórce (oprócz komórek płciowych) znajduje się podwojony komplet nici DNA. Podwojony, gdyż dziedziczony po obojgu rodzicach. Taki komplet chromosomów wybranego gatunku, ułożony w kolejności od największego do najmniejszego, nazwany został kariotypem. W kariotypie wyróżnia się chromosomy nie różniące się u osobników różnych płci – autosomy, oraz chromosomy płci – X i Y.
Jeżeli więc genetycy mówią, że nić DNA człowieka ma długość ponad 3 miliardów nukleotydów to mają na myśli sumę nukleotydów w każdym z chromosomów oraz mitochondrialnym DNA.
1.03.02.01. Liczba chromosomów
I kolejna zagadka: trudno powiązać liczbę chromosomów ze stopniem złożoności organizmu. Rozpiętość ich liczby u ssaków nie jest duża, chociaż i tak pies ma ich dwukrotnie więcej niż kot. Człowiek mieści się w połowie stawki, pomiędzy myszą a jeżem. A biorąc pod uwagę, że szympansy mają więcej chromosomów niż ludzie – to na pewno ich liczba nie stanowi o sile ewolucji.
Zadziwia za to rozpiętość liczby chromosomów u ryb – od ledwo 18 u szczupaka po dwudziestokrotne więcej u dwudysznej ryby płazaka. Z roślinami jest podobnie. Geny grochu, które tasował Mendl, są rozlokowane w 18 chromosomach, a rekordzista – nie tylko u roślin, a u wszystkich organizmów – nasięźrzał, roślina zaliczana do skrzypów i paproci, ma ich około 1260!
Dlaczego niższe organizmy mają więcej chromosomów? To wciąż tajemnica… Może są lepiej upakowane i nie trzeba rozrywać opakowań z setek paczek, aby zobaczyć jaka niespodzianka ukryta jest w środku?
I tak różnicę jednego chromosomu między człowiekiem a szympansem naukowcy wyjaśniają tym, że geny drugiego chromosomu człowieka u małp były zapakowane w dwóch chromosomach. Na pewnym etapie ewolucji doszło do ich połączenia. Zespół naukowców z Baylor College of Medicine w Houston w USA pod kierownictwem Davida Nelsona i Elizabeth Nickerson częściowo wyjaśnił połączenie dwóch chromosomów w jeden. Wykrył on subtelne różnice w genomie szympansa i człowieka, które mogą być następstwem zmiany lokalizacji fragmentów chromosomów. Uczeni badali rozmieszczenie niewielkiego obszaru genomu zawierającego gen AF4, kodujący pewien czynnik transkrypcyjny u obu gatunków.
1.03.02.02. Rozdzielenie genów w chromosomach
Zasadnym staje się pytanie w jakim celu dochodzi do aż tak dużego podzielenia odcinków nici DNA? Bo w wyjaśnienie, że to przypadkowe zmiany chyba nikt nie uwierzy…
Pierwszym, nasuwającym się na myśl wyjaśnieniem, jest to, że te przetasowania mają na celu zmianę planu budowy, funkcjonowania nowego, zmutowanego organizmu. Czyli poprzez inną organizację ustawienie odmiennych priorytetów.
Ale to znaczyłoby, że pozycja centomeru jest kluczem do przyszłej ekspresji genów. Tym samym zasadnym staje się stwierdzenie, że nie tylko obecność genu decyduje o specyficznych cechach organizmów. Bowiem organizmy o podobnym zestawie genów mogą w dużym stopniu się różnić. A wspominana różnica między nami a małpami, to nie tylko kilka procent innych genów. To również odmienne ustawienie centromerów.
Różne są interpretacje zmiennego zachowania centromerów. Zasugerowano, że nie tylko informacja o położeniu centromeru, ale i zmiany jego pozycji odpowiadają mechanizmy epigenetyczne, a w chromatynie znajdują się uśpione, alternatywne miejsca potencjalnych pozycji centromerów. Inni uważają, że zmiana pozycji centomeru wynika z włączenia mechanizmów naprawczych, które przesuwają go z miejsc, w których dochodzi do częstych powielenia kodu.
Pakowanie genów produkujących podobne białka (np. mleka) w różnych chromosomach może świadczyć o tym, że istnieje wiele sposobów wytworzenia podobnego w działaniu białka. Przepis wytworzenie nie zawsze będzie taki sam. Każda gałąź ewolucji mogła wypracować inną metodę dojścia do celu. A nawet w obrębie jednej gałęzi dojść do zróżnicowania produktu finalnego.
Tak więc nie jest to pewna droga. Ale prawdopodobna.
1.03.02.03. Chromosomy człowieka
W tabeli przedstawiłem zestawienie dotyczące chromosomów człowieka. Dane różnych organizacji różnią się od siebie. Różnice wynikają nie tylko z daty ich opublikowania (tendencja do zawyżania liczby danych przed rozpoczęciem projektu poznania genomu człowieka), ale także od przyjętych metod badawczych. Ale jeżeli nawet w innych źródłach znajdą się inne liczby, to ich proporcje powinny być podobne.
A co możemy zaobserwować w danych porównania chromosomów? Dane z tabeli pokazują, że liczba genów kodujących białka oraz genów kodujących różne RNA – wynosi 26.945. Uderza duża liczba pseudogenów – 11.362, czyli według definicji nie działających już genów, których liczba osiąga ponad połowę tych działających, a w chromosomie 13 jest niemal równa aktywnym. Czyżby człowiek w aż tak dużym stopniu był niedoskonały? To jedno pytanie. Nie uważam się za osobnika przesadnie wpadającego w samouwielbienie, lecz od razu mam ochotę zadać następne pytanie: na jakiej podstawie pseudogeny uznano za zepsute geny?
Natomiast ogromna liczba pojedynczych zmian nukleotydów SNP może wskazać, dlaczego mimo bliskiej 98% identyczności genów organizmy ludzi tak różnią się od siebie.
1.04. Podsumowanie
Ten pobieżny przegląd wiedzy genetycznej na progu XXI wieku pokazuje, że już wiele wiemy. Jak również, że jeszcze wiele pytań do znalezienia odpowiedzi przed nami. Czy współczesne metody badawcze są wystarczające do ich znalezienia? Temu będziemy się przyglądać w następnym rozdziale.
