Elementy genetyki

pojęcie mutacji

Mutacje: r genowe "chromosomowe

przyczyny mutacji

czynniki wywołu-jące mutacje

efekty działania mutagenów

5. Zmiany w DNA i ich skutki 5.1. Mutacje i czynniki mutagenne

Zmiana w DNA nazywa się mutacją.

Mutacja to dowolne odstępstwo od normalnej sekwencji DNA. Jego skala może być bardzo różna - od zmiany jednego nukleotydu przez utratę kawałka lub podwojenie genu, aż do zmiany liczby całych chro-mosomów. Zmiany te można klasyfikować jako mutacje genowe, inaczej punktowe, albo mutacje chromosomowe, co oddaje tylko skalę zjawiska, lecz nie zawsze mówi o efektach mutacji w organizmie. Jedna drobna zmiana w całym genomie ludzkim może wywołać ciężką chorobę lub też nieznaczny defekt, ewentualnie wywołać cechę istniejącą w różnych for" mach u różnych osobników (np. tak powstały grupy krwi). U zwierząt ńa " ogół zmiany liczby chromosomów są letalne (śmiertelne) lub przynaj-mniej prowadzą do chorób. Wśród roślin większość uprawnych gatun-ków ma zwielokrotnioną liczbę chromosomów swoich dzikich przod-ków. Są to tak zwane poliploidy mające liczbę chromosomów większą niż diploidalna.

Mutacje mogą powstawać samoistnie (spontaniczne) lub być sztucz-nie wywoływane przez czynniki chemiczne i fizyczne (indukowane).

Mutacje samoistne powstają sporadycznie - są wynikiem błędów przy replikacji DNA. Można je porównać do przepisywania tekstu na kompu-terze - nawet osoba biegła w pisaniu czasem zrobi błąd. Czasami przy re-plikacji DNA w powstającej nowej nici zostanie na przykład wstawiony nieprawidłowy nukleotyd. Na ogół istnieją systemy wychwytywania i usu-wania błędów, ale nie są niezawodne, podobnie jak korektor tekstu nie za-wsze od razu zauważy wszystkie błędy. Zmiana - mutacja - powstaje raz na około 10 milionów do raz na miliard nukleotydów przy każdej replika-cji DNA. Każdy z nas przychodzi na świat z paroma nowymi mutacjami, na szczęście w większości przypadków nie wydają się nam one szkodzić.

Czynniki mutagenne działają na DNA.

Częstość mutacji można zwiększyć, stosując promieniowanie ultrafio-letowe czy też odpowiednie inne czynniki fizyczne (np. promieniowanie rentgenowskie) czy chemiczne (analogi zasad w DNA, związki wiążące się z DNA). Czynniki takie, nazywane mutagenami, działają na DNA i zwiększają częstość błędów przy jego replikacji. Takie związki wykorzy-stuje się, na przykład w celu uzyskania mutantów (czyli niosących muta-cje) bakterii czy drożdży do prac naukowych lub też hodowlanych od-mian roślin i zwierząt.

Warto zauważyć, że w przypadku organizmów wielokomórkowych efekty mutacji będą przekazywane potomstwu tylko wtedy, gdy nastąpi ona w ko-mórkach rozrodczych. Do czynników mutagennych należą występujące w naszym otoczeniu związki zawarte w dymie z papierosów czy też promie-

36

5. Zmiany w DNA i ich skutki

nie ultrafioletowe w świetle słonecznym. Nowotwory, będące jedną ze sto- j proces sunkowo częstych chorób u ludzi, są wynikiem nagromadzania się mutacji " nowotv

w komórce. Aby z normalnej komórki powstała komórka nowotworowa, musi zajść najczęściej kilka mutacji w genach związanych przede wszystkim z kontrolą jej podziałów. Pewne czynniki mutagenne sprzyjają powstawaniu konkretnych typów nowotworów - promieniowanie słoneczne sprzyja po-wstawaniu nowotworów skóry, a palenie papierosów powoduje często raka płuc. Nie znaczy to, że u każdego palacza wystąpi rak płuc, a każda osoba opalająca się będzie miała raka skóry, jednak możliwość zachorowania bar-dzo wyraźnie wzrasta. Co więcej, efekty widać dopiero po wielu latach. Nie-które osoby są szczególnie podatne na promienie ultrafioletowe. Dzieje się tak dlatego, ponieważ komórki skóry nie potrafią usuwać uszkodzeń w D N A powstałych po działaniu na nie światła.

Jeśli chodzi o typy mutacji i ewolucję, wielkie znaczenie w ewolucji miały mutacje genowe, takie jak podwajanie genów (więcej informacji o tych zjawiskach znajdziesz w rozdz. 8).

Czy wiesz, że...

Na drodze ewolucji były „genowe ofiary". Nie tylko bowiem gatunki, które przegrały walkę o byt, były owymi ofiarami, ale także pewne geny, które utraciły istotne cechy genów normalnych (czyli zdolność do kodowania białka i ulegania transkrypcji oraz translacji) i stały się genopodobne, a dziś nazywane są pseudogenami. W genomie człowieka jest sporo pseudoge-nów, a ich obecność jest wykazywana w zasadzie u wszystkich organizmów eukariotycznych przy ustalaniu sekwencji ich genomów. Niedawno dokładnie ustalono sekwencję 14 chromoso-mu człowieka - oprócz ponad 1 tysiąca genów ma on prawie 400 pseudogenów.

5.2. Niektóre zmiany w naszym genomie mogące powodować choroby

Jest oczywiste, że nie jesteśmy wszyscy tacy sami, ani pod względem wyglądu, ani pod względem usposobienia czy zdolności.

Niektóre nasze cechy są w prosty sposób określane przez jedną parę genów (położonych w chromosomach homologicznych). Do takich cech należą na przykład: zwijanie języka w trąbkę, grupa krwi (w tzw. ukła-dzie ABO), proste lub kręcone włosy. Nasza osobowość i zdolności nie są dziedziczone w tak prosty sposób, choć wiadomo (na podstawie po-równania wielu identycznych pod względem genetycznym bliźniąt jed-nojajowych, czyli wywodzących się z tej samej zapłodnionej komórki ja-jowej), że geny odgrywają rolę w określaniu naszych zdolności, wzrostu, wagi i cech osobowości. Jednak w każdym przypadku zaangażowanych jest wiele genów i ważne są też interakcje z otoczeniem (dieta, wycho-wanie itd.).

W większości przypadków zmiany w genach nie są wytłumaczeniem nadwagi ani niechęci do nauki (zdolności nie są wyłącznie uwarunkowa-ne genetycznie, więc to nie geny, lecz ludzie piszą klasówki!).

genetyczne podłoże niektórych cech człowieka

37

Elementy genetyki

Jak widać fenotyp jest efektem oddziaływań genotypu ze środowi-skiem. Dana osoba ma na przykład pewien zestaw genów określający jej wzrost (jeszcze nie są one znane). Jeśli natomiast będzie niedożywiona w dzieciństwie, nie osiągnie maksymalnego możliwego wzrostu. Genotyp określa zakres możliwości, natomiast faktyczny stan jest wynikiem tego, co jest w genach, i czynników zewnętrznych. Czasami działanie czynni-ków środowiska przynosi poważne negatywne skutki - istnieją osoby, które mają ostre ataki anemii po zjedzeniu bobu! Jest to wynikiem muta-cji w genie dehydrogenazy glukozo-6-fosforanu. Organizm osoby z mu-tacjami w tym genie nie potrafi przeciwdziałać lizie, czyli rozpadowi krwinek czerwonych, powodowanej przez substancje zawarte w bobie.

Wiele chorób jest wynikiem defektu w pojedynczym genie lub w parze genów.

U osób zdrowych istnieje duża zmienność różnych cech, ale w grani-cach normy. Wiele zmian w genach powoduje jednak zaburzenia, które nie są już stanem normalnym, lecz chorobą. Pewne choroby powodują upośledzenie umysłowe - różne w rozmaitych chorobach. Istnieją dzie-dziczne nowotwory, zaburzenia przemiany materii itp.

Wiele chorób ludzkich (a znanych jest kilka tysięcy) jest wynikiem zmian w naszych genach i to zmian związanych z tylko jednym konkret-nym genem. W zasadzie choroby klasyfikuje się na różne sposoby. Istot-ne jest, czy warunkiem zaistnienia choroby jest wystąpienie defektu w jednym genie czy też w obu obecnych kopiach. Jeśli muszą być dwie uszkodzone kopie genu, mówimy, że mutacja jest j^eesywna. Jeśli wystarcza jedna kopia - że mutacja jest dominująca. Ponadto używa się pojęć: gen sprzężony z płcią oraz gen autosomalny.

Czy wiesz, że...

U myszy znanych jest kilka mutacji, które prowa-dzą do otyłości. Jedna z nich zachodzi w genie białka, zwanego leptyną. Rolą leptynyjest sygna-lizowanie, że zwierzę jest najedzone. Jej brak (mutacje w obu kopiach genu) powoduje obże-ranie się przez myszy, są one ponad dwa razy cięższe od normalnych. U ludzi takie mutacje są niezwykle rzadkie - w literaturze naukowej opi-sano tylko jeden przypadek pary tureckich kuzy-nów, u których otyłość wywoływały mutacje wła-śnie w obu kopiach genu leptyny.

Niektóre choroby genetyczne są wywołane zmianami DNA w chromosomach płci.

Za hemofilię i daltonizm odpowiedzialne są zmutowane recesywne geny sprzężone z płcią. Geny te znajdują się w chromosomie X i nie wy-stępują w chromosomie Y. Oznacza to, że każdy mężczyzna ma tylko jedną kopię tych genów. Jeśli będzie to akurat gen zmutowany, taki męż-

Mutacja: rrecesywna '"dominująca

38

5. Zmiany w DNA i ich skutki

czyzna zachoruje (np. na hemofilię). Kobieta chorowałaby wtedy, gdyby miała oba geny zmutowane, a takie sytuacje są bardzo rzadkie.

Hemofilia jest zaburzeniem krzepliwości krwi. Jeśli się zranimy, to na ogół bardzo szybko ranka przestaje krwawić. Jest to wynikiem złożonego procesu, w którym biorą udział płytki krwi i liczne czynniki krzepliwości kiwi, niezbędne do powstania skrzepu (por. Biologia 1. Zakres podstawowy, s. 90). U osób chorych na hemofilię zmutowany jest gen kodujący jeden z czynników krzepliwości krwi, tak więc krew nie krzepnie. Osoby chore miewają też krwotoki wewnętrzne. Obecnie możliwe jest skuteczne, choć kosztowne leczenie tej choroby przez podawanie w zastrzykach brakujące-go białka - czynnika krzepliwości krwi uzyskanego technikami inżynierii genetycznej (patrz rozdz. 6). W przyszłości być może będzie można leczyć chorych nie przez podawanie im białka, lecz przez podawanie im tak zwanego zdrowego genu - jest to tak zwana terapia genowa.

Daltonizm to nieprawidłowe rozróżnianie barw. Zaburzenie to ma różne warianty, ale jest związane z mutacją genu związanego z wrażliwo-ścią czopków na fale światła różnej długości.

Choroby nazywane autosomalnymi są wynikiem mutacji w genie w jednym z 22 autosomów.

Większość chorób dziedzicznych powodowanych jest przez mutacje w genach położonych w autosomach (są ich 22 pary, a chromosom X jest jeden). Większość chorób jest wywoływanych przez mutacje autosomal-ne recesywne, to znaczy muszą być zmutowane oba geny, by wystąpiły objawy choroby. Można to też ująć inaczej - wystarczy jeden działający gen, by ilość jego produktu wystarczyła do spełniania funkcji w orga-nizmie. Przykłady chorób podano w tabeli 3 (s. 41).

Wiele chorób jest związanych z zaburzeniami metabolizmu, na przy-kład nie jest rozkładany jakiś aminokwas i prowadzi to do fenyloketonu-rii, alkaptonurii, lub nie jest rozkładany cukier, co wywołuje galaktoze-mię. Istnieją też mutacje powodujące defekty w białkach wchodzących w skład hemoglobiny - anemia sierpowata (ryc. 23), w tworzeniu barw-ników skóry i oczu - albinizm itp.

Choroby genetyczne występujące u mężczyzn:

hemofilia - daltonizm

Choroby wywoływane przez mutacje genowe:

fenyloketonuria alkaptonuria

f galaktozemia r anemia I sierpowata

albinizm '"choroba Hunting-

tona

1 z nici DNA normalnego genu fi-globiny

\

1 z nici DNA zmutowanego genu p-globiny zamiana nukleotydu (mutacja)

Ryc. 23. Mutacja w jednym nukleotydzie genu kodującego biatko hemoglobiny, p-globinę, zamienia tylko jeden aminokwas, prowadzi to jednak do anemii sierpowatej.

39

Elementy genetyki

: choroby I nowotworowe i w rodzinie

Mutacje polegające na zmianie liczby chromosomów: \ zespól Downa

zespól Turnera

Icechy zespołu Downa

I cechy zespotu ! Turnera

Choroby autosomalne, dziedziczące się w sposób dominujący, są wy-nikiem zmiany w tylko jednym z pary genów. Na ogół produkt zmutowa-nego genu jest wadliwy i coś psuje. Istnieje bardzo wiele zaburzeń ukła-du nerwowego i mięśniowego wynikających z nagromadzania się różnych (w zależności od konkretnej choroby) wadliwych produktów białkowych, na przykład w mózgu. Jedną z najczęstszych jest choroba Huntingtona (dawniej ze względu na niekontrolowane ruchy chorych zwana pląsawicą Huntingtona).

Chorobami autosomalnymi dominującymi są też nowotwory występujące w niektórych rodzinach. W sumie stanowią 5-10% przypadków wszystkich chorób nowotworowych. Osoba z takiej rodziny może odziedziczyć zmuto-wany jeden z genów kontrolujących prawidłowe podziały komórki. W ten sposób bardzo się zwiększa ryzyko zachorowania na dany typ nowotworu (różny w zależności od odziedziczonego zmutowanego genu).

Nieco inne choroby to zespól Downa i zespól rI\irnera. Obie są spo-wodowane nie przez zmiany w jednym genie, lecz przez zmianę liczby chromosomów.

Zespół Downa - potrójny chromosom 21 (trisomia chromosomu 21) pojawia się raz na 700 noworodków, a częstość wystąpienia zależy od wieku matki (od jednego na 1350 porodów u kobiet dwudziestopięcio-letnich do jednego na 28 porodów u kobiet czterdziestopięcioletnich). A zatem dodatkowy chromosom pochodzi na ogół z komórki jajowej. Zespół Downa powoduje upośledzenie umysłowe (średni iloraz inteli-gencji wynosi 50, podczas gdy u osób niecierpiących na tę chorobę wyno-si on 100). Dość często występują wrodzone wady serca, które u części dzieci mogą doprowadzić do przedwczesnej śmierci. Poza tym choroba nie wpływa na długość życia.

Zespół Turnera polega na obecności tylko jednego chromoso-mu X i występuje u jednej na 5 tysięcy nowo narodzonych dziewczynek. Oprócz bezpłodności występują u nich różne dodatkowe objawy, jednak są to wady strukturalne. Nie występuje natomiast upośledzenie umysło-we. Charakterystyczny jest niski wzrost i dość częste są wrodzone wady serca. Choroba nie wpływa też na długość życia.

Na zakończenie warto dodać, że wielu chorób trapiących ludzkość nie powoduje jeden gen, ale oddziaływania kilku genów i środowiska. Część przypadków cukrzycy jest wynikiem mutacji w kilku różnych genach. Istotne znaczenie ma też tryb życia i sposób odżywiania. Geny powodu-jące tę chorobę niestety nie są jeszcze do końca poznane. Podobnie jest z chorobami układu krążenia, podatnością na nowotwory (z wyjątkiem wspomnianych około 5-10%, za które odpowiedzialne są pojedyncze mutacje). Jednym z wielkich zadań genetyki XXI wieku jest poznanie genów związanych z powstawaniem tak zwanych chorób wielogenowych, ponieważ to one wywołują dolegliwości u bardzo wielu ludzi.

40

5. Zmiany w DNA i ich skutki

W przypadku chorób niewynikających z mutacji w pojedynczym genie analiza rodowodu może pokazać, że choroba występuje w rodzinie, jed-nak nie będzie wiadomo, jak jest dziedziczona. Wówczas wiele informa-cji wniesie porównanie występowania tej choroby u par jednojajowych bliźniąt. Jeśli zawsze (w 100%) chorych jest oboje bliźniąt, to choroba jest w 100% powodowana przez geny. Im mniejsza jest zgodność w pro-cencie zachorowań między bliźniętami jednojajowymi, tym większy jest wpływ innych czynników (środowiska).

Badanie DNA może wykazać, jaka mutacja jest odpowiedzialna za powstanie choroby.

Jeżeli w danej rodzinie wystąpiła już jakaś choroba genetyczna, to czę-sto jest możliwe przeprowadzenie badania pod kątem poszukiwania kon-kretnej mutacji, na przykład u płodu. Możliwe jest szukanie mutacji w zna-nym genie*. U płodu można badać jego kariotyp - wynik badania pokaże, czy jest on prawidłowy czy są jakieś zaburzenia. Jak już wspomniano, bada-nia kariotypu płodu przeprowadza się na ogół u ciężarnych kobiet w wieku powyżej 35 lat lub w przypadku, gdy wystąpiła już w rodzinie wada związa-na z zaburzeniem kariotypu (m.in. zespół Downa, zespól Turnera).

Do badań płodu (tzw. prenatalnych, czyli przeprowadzanych przed urodzeniem) pobiera się płyn z owodni od kobiety ciężarnej. Możliwe jest też tak zwane badanie nosicielstwa - jeśli w rodzinie występuje cho-roba genetyczna typu autosomalna recesywna, to zdrowi członkowie ro-dziny mogą przenosić jeden wadliwy gen (sami nie chorują!).

W takim przypadku możliwe jest stwierdzenie, czy dana osoba w rodzi-nie jest nosicielem na przykład pojedynczej mutacji w genie związanym z mukowiscydozą. Akurat dla tej choroby, stosunkowo częstej wśród mieszkańców Europy, te badania mogą mieć znaczenie - co 25 osoba jest bowiem nosicielem jednego defektywnego genu, a zatem warto wiedzieć, czy ma się szansę na przekazywanie tego genu swojemu potomstwu.

Z poradnictwa genetycznego warto korzystać w trudnych sytuacjach.

Przykładem innej trudnej sytuacji może być choroba Huntingtona. Za-padają na nią osoby mające około czterdziestu lat (tab. 3, s. 41). Jeżeli mają dzieci, to statystycznie połowa ich odziedziczy gen powodujący cho-robę (choroba jest autosomalna dominująca i albo dziecko otrzyma chro-mosom z defektywnym genem, albo z normalnym, a zatem „pół na pół"). Na ogół dzieci mogą być już dorosłe, a nawet mieć własne dzieci. Każda osoba, mająca jedno z rodziców cierpiące na chorobę Huntingtona, po-winna dokonać wyboru: żyć ze świadomością, że ma 50% szansy zachoro-wania lub poddać się badaniu DNA, które wykaże, czy będzie zdrowa (nie ma wadliwego genu) czy chora (ma wadliwy gen). W takich bardzo trudnych decyzjach - jak i w przypadkach badań prenatalnych i badań

I badania kariotypu ui i ptodu

prawdopodobień-stwo zachorowa-nia na mukowi-scydozę

*Nie jest obecnie możliwe szukanie wszelkich mutacji w całym ludzkim DNA, a dokładniej - nie jest możliwe szukanie ich dostatecznie szybko ani dostatecznie tanio.

43

Elementy genetyki

nosicielstwa recesywnych, niekorzystnych mutacji - pomocne są porad-nie genetyczne. Tam lekarze tłumaczą, na czym polegają badania, jakiego wyniku można się spodziewać i co on oznacza. W idealnych warunkach w poradni oprócz lekarza powinien być obecny psycholog.

Na ogół badania nosicielstwa takich chorób, jak mukowiscydoza czy też badania genu powodującego wystąpienie choroby, na którą nie ma lekarstwa (np. Huntingtona), przeprowadza się wyłącznie u osób pełno-letnich, na ich prośbę i udziela się im odpowiedniej porady. Inaczej mo-że być w przypadku niektórych dziedzicznych nowotworów. Na przy-kład w rodzinnych formach raka tarczycy niezwykle ważne jest wczesne wykrycie osób mających gen powodujący chorobę, by zapobiec jej roz-wojowi.

Podsumowanie

1. W DNA mogą zachodzić zmiany zwane mutacjami (genowe lub chromosomowe). Mo-gą zachodzić spontanicznie lub w wyniku działania różnych czynników uszkadzających DNA.

2. Większość mutacji jest szkodliwa, między innymi powodują one choroby u ludzi. Bez mutacji jednak nie byłoby ewolucji organizmów.

Ćwiczenia

1. Informacja o obecności syntetycznego dodatku do żywności w kupowanym produkcie znajduje się na jego etykiecie i oznaczona jest kodem: to litera E i trzy cyfry. Czasami kody oznaczają zupełnie nieszkodliwe substancje, na przykład witaminę C (E-300) lub lecytynę (E-322), czasem jednak są to oznaczenia bardzo szkodliwych związków, nie-jednokrotnie potencjalnych mutagenów. Wyszukaj informacje na temat skutków spo-żywania pięciu substancji wybranych spośród poniżej wymienionych* i przedstaw te wiadomości w postaci gazetki (plakatu): E-102, E-103, E-110, E-120, E-122, E-124, E-127, E-131, E-141, E-150, E-151, E-171, E-172, E-173, E-180, E-210, E-211, E-212, E-213, E-214, E-215, E-216, E-217, E-218, E-219, E-220, E-221, E-239, E-310, E-311, E-330, E-338, E-339, E-340, E-341.

Polecenia kontrolne

1. Określ jednym zdaniem, jakie znaczenie mają zmiany w DNA.

*Jako źródło informacji możesz wykorzystać literaturę popularnonaukową i czasopisma, na przykład: De Gautier J., Mistewicz E. Encyklopedia życia. Oficyna Wydawnicza Reporter, Warszawa 1992; Gertig H. Żywność a zdrowie. WL PZWL, Warszawa 1996; Zagórski Z. P. Tajemnicze E. „Wiedza i Zycie", 1991, nr 10, s. 33^18; Młodec-ki H., Piekarski L. Zagadnienia zdrowotne żywności. PZWL, Warszawa 1987; Żywienie człowieka, pod red. J. Gawęc-kiego, L. Hryniewieckiego, PWN, Warszawa 1998; Ładoński W., Gospodarek T. Podstawowe metody analityczne pro-duktów żywnościowych PWN, Warszawa 1986; Gawęcki J., Jeszka J. Żywienie człowieka. PWN, Warszawa 1986. Możesz także skorzystać z pozycji zamieszczonych w Internecie: Encyklopedia dodatków do żywności Hortimex http://www.hortimex.com.pl/encyklopedia/grupy/konserwan-ty.html; strona AE Kraków; http://www.ae.krakow.pl/~fiIipa/inform/wrobel/konserw.htm.

rola poradnictwa genetycznego

44

5. Zmiany w DNA i ich skutki

2. Sekwencja aminokwasów początkowego odcinka łańcucha (3 normalnej hemoglobiny (HbA) jest następująca: walina - histydyna - leucyna - treonina - prolina - kwas gluta-minowy - kwas glutaminowy - lizyna. W łańcuchu (3-hemogłobiny C (HbC) szósty aminokwas został zamieniony na lizynę. a) Odszukaj w tabeli kodu genetycznego (tab. 1, s. 24) i zapisz jedną z możliwych se-

kwencji nukleotydów w łańcuchu DNA, kodującym przedstawiony fragment łańcu-cha (3-hemoglobiny normalnej a następnie hemoglobiny C.

b) Określ, jaki rodzaj mutacji doprowadził do powstania allelu genu kodującego HbC. 3. Wyjaśnij pojęcie: czynniki mutagenne. Omów mutagenny wpływ trzech wybranych

czynników na organizmy. 4. Podaj dwa przykłady chorób genetycznych człowieka związanych z płcią. Wyjaśnij, dla-

czego mężczyźni chorują na nie znacznie częściej niż kobiety. 5. Podaj możliwą liczbę kopii (wersji) danego genu:

a) w 1 komórce diploidalnej, b) w 1 komórce haploidalnej, c) w całym organizmie. 6. Wyjaśnij różnice między mutacjami: genową, chromosomową strukturalną, chromoso-

mową liczbową. Podaj przykłady każdej z tych mutacji u człowieka i nazwij choroby wy-woływane przez te mutacje.

7. Fragment łańcucha DNA o sekwencji nukleotydów: ATCTAACGTGGCGTAAGCTGCTGCG

uległ mutacji, która polegała na wycięciu (utracie) jednego nukleotydu. Byt to nukle-otyd z tyminą, drugi w kolejności w zapisanym wyżej łańcuchu (na rysunku zaznaczony pogrubioną czcionką). a) Korzystając z tablicy kodu genetycznego, zapisz sekwencję aminokwasów w pepty-

dzie, który powstał w wyniku odczytania nici DNA przed mutacją. b) Zapisz sekwencję aminokwasów w peptydzie, który powstał w wyniku odczytania ni-

ci DNA po mutacji. c) Porównaj oba peptydy i wyciągnij wnioski.

8. Wykonaj te same polecenia (jak w zadaniu 7a i 7b) dla mutacji polegającej na wstawie-niu dodatkowego nukleotydu: a) na początku łańcucha DNA (podanego w poprzednim zadaniu), b) na końcu łańcucha. Porównaj efekt tych mutacji, sformułuj wnioski i zapisz je.

9. Oblicz prawdopodobieństwo wystąpienia u dziecka choroby genetycznej, uwarunkowa-nej genem recesywnym, jeżeli zarówno ojciec, jak i matka są nosicielami tego genu.

10. Wymień podstawowe objawy oraz określ podłoże genetyczne następujących chorób: a) hemofilii, b) zespołu Downa, c) anemii sierpowatej, d) choroby Huntingtona, e) fe-nyloketonurii, f) zespołu Turnera, g) daltonizmu.

11. Wytłumacz, co oznacza określenie „nosicielstwo" w przypadku chorób genetycznych. 12. Oceń, czy: a) mężczyzna może być nosicielem hemofilii, b) istnieją nosiciele choroby

Huntingtona, c) nosicielem galaktozemii jest ojciec czy matka. W każdym przypadku uzasadnij swoją odpowiedź.

13. Omów krótko rolę poradni genetycznych. Podaj przykłady sytuacji, w jakich należy się zwrócić do takiej poradni.

Elementy genetyki

możliwości inżynierii

I genetycznej

funkcje enzymów restrykcyjnych

J> G A A T T C ' C T T A A G-

A A G C T T T T C G A a A

Ryc. 25. Przykłady dwóch sekwencji rozpoznawanych i nacinanych przez enzymy restrykcyjne

6. Inżynieria genetyczna, czyli jak wyręczyć naturę

Inżynieria genetyczna pozwala na uzyskiwanie i zmienianie genów, a także na ich przenoszenie z jednego organizmu do drugiego.

Skokowe zmiany, jakie dokonują się w naszej wiedzy przyrodniczej, nie pojawiają się często, a jednak narodziny inżynierii genetycznej w la-tach siedemdziesiątych były rzeczywiście przełomem.

Czym jest nauka zwana inżynierią genetyczną i jakie są jej korzenie? Przed jej powstaniem nie znano w zasadzie sposobów izolowania i anali-zowania pojedynczych genów. Dopiero inżynieria genetyczna umożliwi-ła wyizolowanie genów z danego organizmu, sklonowanie ich (uzyskanie ich w dużej liczbie kopii, np. w innym organizmie lub w probówce), ana-lizę ich sekwencji i ich modyfikowanie (zmienianie).

Techniki izolowania (ekstrakcji) DNA z organizmów są dość stare i niezbyt trudne. Trzeba rozbić komórki, uzyskaną miksturę pozbawić białka, lipidów oraz węglowodanów. Jeśli ekstrakcję przeprowadza się w odpowiednich warunkach, to można też pozbyć się większości RNA. Jak jednak z całego DNA organizmu na przykład wyizolować poszcze-gólne geny?

6.1. Podstawowe metody i techniki inżynierii genetycznej Dany enzym restrykcyjny zawsze tnie DNA w tym samym miejscu.

We wczesnych latach siedemdziesiątych wykryto enzymy, które były produkowane przez bakterie i które cięły DNA w powtarzalny sposób - dany enzym ciął określony DNA zawsze w tym samym miejscu, rozpo-znając zawsze taką samą krótką sekwencję nukleotydów. Białka te,

nazywane enzymami restrykcyjnymi, rozpoznają różne sekwencje nukleotydów (ryc. 25). Dawało to możliwość powtarzalnego pofragmentowania DNA, na przykład drożdży czy człowieka. Jednak po cięciu enzymem re-strykcyjnym wszystkie kawałki nadal są obecne razem w jednej probówce. Jak je rozdzielić?

Wymyślono następujący sposób: po cięciu danym enzy-mem restrykcyjnym fragmenty DNA mają końce jednoni-ciowe o długości paru nukleotydów. Te końce dla danego enzymu są zawsze takie same i - co więcej - są one lepkie,

to znaczy będą się łączyły z innymi końcami wyprodukowanymi przez ten sam enzym. W praktyce jest to nieco bardziej skomplikowane, a idealny eksperyment teoretycznie wygląda następująco: każdy fragment DNA (z lepkimi końcami) łączy się z cząsteczką nośnika, tak zwanym wektorem. Wektorem może być plazmid (takie małe koliste cząsteczki DNA występu-ją u bakterii) albo odpowiednio spreparowany wirus. Wektor - przyjmijmy,

t

46

6. Inżynieria genetyczna, czyli jak wyręczyć naturę

że jest to plazmid - musi zostać przecięty tym samym enzymem, co badany DNA. Powstaje więc kombinacja wektor-fragment DNA, połączona na lepkich końcach. Po to, by taka struktura była trwała, potrzebny jest enzym zwany ligazą. Po jego działaniu każdy fragment D N A jest w wektorze, ale niestety nadal wszystko to znajduje się w jednej probówce. Jak rozdzielić te wektory z różnymi fragmentami DNA?

Wprowadzanie DNA do bakterii nazywa się transformacją.

Wektory, na przykład plazmidy z umieszczonymi w nich różnymi frag- i proces transfor-mentami DNA, są rozdzielane przez bakterie. Może to być także inny > macji organizm (w zależności od stosowanego wektora), ale z bakteriami jest najprościej. Najpierw bakterie mieszamy z plazmidami z wstawionym fragmentem D N A i odpowiednio przygotowanymi (trzeba je chłodzić, podgrzewać itp. według pewnej ustalonej procedury). Następnie sprepa-rowaną mieszaninę wysiewamy na odpowiednią pożywkę. Wówczas każ-da kolonia bakterii, która wyrośnie, będzie zawierała jakiś wektor wraz z zawartym w nim fragmentem DNA. Proces ten nazywany jest transfor-macją. Pożywka zawiera określony antybiotyk, na którym nie wyrośnie bakteria bez plazmidu, gdyż plazmid niesie gen powodujący oporność na ten antybiotyk (ryc. 26). A zatem, po transformacji dość szybko można odnaleźć takie bakterie, które zawierają poszukiwane geny.

1 ; TRAWIENIE ENZYMEM

RESTRYKCYJNYM 2 j łączenie fragmentów

z lepkimi końcami

połączony DNA wektora i dawcy

wnikanie wektora do komórki bakterii

(biorcy) T R A W I E N I E E N Z Y M E M

R E S T R Y K C Y J N Y M

DNA wektora z lepkimi końcami

DNA wektora

komórka biorcy

namnażanie się zmienionych bakterii na odpowiednich -pożywkach

zmieniona te. genetycznie komórka biorcy

T R A N S F O R M A C J A

Ryc. 26. Model przedstawiający ogólną strategię inżynierii genetycznej z użyciem wektora plazmidowego. Pojęcia „dawca" i „biorca" mają znaczenie umowne (a - określony gen dawcy, b - fragment DNA z lepkimi końcami).

Pozostaje problem wykrycia, jaki konkretnie fragment obcego D N A | proces znajduje się w danej kolonii bakterii. Nie jest łatwe szczegółowe opisanie j wyszukiwania całego procesu, istnieją jednak techniki wyszukiwania w koloniach bakte- obcego DNA

47

Elementy genetyki

rii, na przykład określonego R N A (będącego produktem transkrypcji po-szukiwanego genu), znanego odcinka D N A szukanego genu. W którymś momencie dochodzi się do kolonii bakterii, która na przykład zawiera gen kodujący ludzką (3-globinę (bardzo ważne białko krwi) albo fragment genu, w którym mutacje powodują mukowiscydozę. Takie bakterie moż-na namnażać bardzo wiele razy i izolować z nich poszukiwany gen.

Warto dodać, że ten proces wyszukiwania jest dość trudny, ale istnieją liczne sposoby obchodzenia takich niedogodności. Na przykład wiele wekto-rów ma ograniczoną pojemność (wektor może „brać" kawałki DNA, np. nie większe niż 10 tysięcy par zasad), więc opracowano wektory mające znacznie większą pojemność. Wiele genów ssaków jest dużych, nie ulega transkrypcji i translacji w bakteriach. Dlatego bada się kopie tych genów przygotowywa-ne na matrycy mRNA. Kopie te są krótsze, gdyż nie zawierają intronów (nierozpoznawanych przez enzymy bakterii). Można także wprowadzać do wektorów sekwencje warunkujące dobrą transkrypcję i translację danego genu u bakterii (lub u innych organizmów, np. roślin czy drożdży).

Efektem takich poczynań było uzyskanie w stanie czystym i zbadanie wielu genów ludzkich, między innym takich, w których mutacje powodu-ją choroby. Z takich badań pochodzą między innymi dane o mutacjach, podane w tabeli przedstawiającej choroby genetyczne (tab. 3, s. 41).

Czy wiesz, że...

W drugiej połowie lat siedemdziesiątych, gdy narodziła się inżynieria genetyczna i przechodziła burzliwy rozwój, obawiano się jej konsekwencji. Sami naukowcy w 1975 roku wprowadzili rocz-ne moratorium na swoje poczynania i początkowo prace prowadzono w systemach o różnych poziomach zabezpieczeń, w tym o bardzo dużym poziomie izolacji od otoczenia i gdzie zapew-niona była ochrona dla samych uczonych i dla otoczenia. Obecnie takie zabezpieczenia stosuje się tylko przy pracy z bardzo zakaźnymi organizmami, a raczej nie przy klonowaniu genów. W 1976 roku w Bostonie praca nad klonowaniem genów bakterii Escherichia coli w tej samej bakterii wymagała wielu różnych zezwoleń i zabezpieczeń. Natomiast praca z wirusem białaczki kociej tego nie wymagała, mimo że wirus ten jest dość zakaźny i stanowi zagrożenie dla innych gatunków (na szczęście nie dla człowieka).

6.2. Przykłady inżynierii genetycznej Co można uczynić z genem, jeśli się go wyizoluje? Jest to zależne od

potrzeb. Można zajmować się badaniami podstawowymi - analizować sekwencję genu, wprowadzać do niego zmiany, a następnie, po wprowa-dzeniu genu już zmienionego do wyjściowego organizmu, badać efekty mutacji, ale można też robić rzeczy nader praktyczne.

Inżynieria genetyczna umożliwia uzyskiwanie ludzkich białek u bakterii.

Zanalizujmy na przykład terapię hemofilii. Można sklonować gen ko-dujący brakujący czynnik krzepliwości i zmusić jakiś mikroorganizm do produkcji potrzebnego chorym białka, a następnie go oczyścić.

znaczenie inżynie-rii genetycznej dla medycyny

48

6. Inżynieria genetyczna, czyli jak wyręczyć naturę

W ciągu ostatnich lat na rynku pojawiły się różne białka uzyskane technikami inżynierii genetycznej, na przykład hormon wzrostu potrzeb-ny dzieciom z defektami w jego produkcji, insulina, którą leczy się cu-krzycę, czynniki krzepliwości krwi dla chorych na hemofilię, szczepionka przeciwko żółtaczce zakaźnej (wirusowe zapalenie wątroby typu B) uzy-skana przez klonowanie jednego z genów wirusa zapalenia wątroby ty-pu B itp. Białek tych jest o wiele więcej i ciągle uzyskuje się nowe.

Organizmy transgeniczne zawierają dodatkowe, wprowadzone geny.

Można też wprowadzić gen do jakiegoś organizmu. Taki gen nazwano transgenicznym. W celach naukowych uzyskano na przykład transgenicz-ne myszy z genem hormonu wzrostu szczura, które były parę razy większe od myszy normalnych. Uzyskano też transgeniczne rośliny z genami wa-runkującymi mrozoodporność, odporność na szkodniki czy - co bardzo istotne - o zmienionej zawartości witamin bądź aminokwasów.

Organizmy transgeniczne są trudne do uzyskania. Nieco prościej jest w przypadku roślin, u których techniki wprowadzania DNA do pojedyn-czych komórek i następnie regenerowania z tego całej rośliny są dobrze znane. U zwierząt techniki te wymagają manipulacji dokonywanych na wczesnych zarodkach zwierzęcych, a ponadto istnieją niewielkie możli-wości kontrolowania, gdzie wbuduje się wprowadzony gen, co wpływa na jego aktywność.

Klonować można pojedyncze geny, ale też całe rośliny i zwierzęta.

geny transgeniczne i organizmy transgeniczne

W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że klonowanie zwierząt, | przebieg procesu na przykład ssaków, przeprowadza się następująco: trzeba pobrać ko-mórkę jajową odpowiedniego gatunku, usunąć z niej jej materiał gene-tyczny (DNA), wprowadzić do niej jądro komórkowe z komórki organi-zmu, który ma być klonowany. Po tej manipulacji komórkę jajową wprowadza się do macicy samicy tego samego gatunku i czeka, aż uro-dzi się zwierzę (w ten sposób sklonowano na przykład owcę, cielę, mysz domową).

Natura broni się przed takimi sposobami obchodzenia normalnego krzyżowania - w zależności od gatunku i laboratorium udaje się 1 próba na 100 (myszy) do 1 próby na 277 (owca Doiły; ryc. 27). Wytłumaczenie jest proste - choć w każdej komórce somatycznej ciała jest taki sam DNA, pewne obszary jej chro-mosomów są nieczynne. Powoduje to, że zarodki rozwijające się z komórek jajowych z jądrami komórek somatycznych nie roz-wijają się prawidłowo i większość szybko gi-nie. W normalnych warunkach komórka wymienia (a z takiej powstała Dolly), nie steruje przecież całym rozwojem zarodka.

klonowania

Ryc. 27. Dolly - pierwszy sklonowany ssak (w 1997 r.)

49

Powstały już klony wielu różnych ssaków.

sklonowane zwie- Sklonowane transgeniczne myszy wykorzystuje się do badań nauko-rz?ta wyeh. Krowy i owce mogą być producentami cennych leków. O odpo-

wiednio przygotowanych świniach myślano jako o dawcach narządów do przeszczepów dla człowieka. Zagadnienia klonowania człowieka to pro-cedura bardzo ryzykowna i mająca niewielką szansę sukcesu. To także sprawa co najmniej dyskusyjna ze względów etycznych, jak i naukowych. Na pewno w obecnych warunkach osoba, która odważy się klonować czło-wieka po to, by uzyskać czyjąś kopię, rzuci się z motyką na Słońce. Nie tyl-ko bowiem u zwierząt rzadko osiąga się sukcesy, ale nawet te zwierzęta, które są klonami, mają drobne zaburzenia. Na przykład Dolly była otyła i cierpiała na reumatyzm i na początku 2003 roku była na tyle chora, że musiano ją uśpić, zaś myszy, których sklonowano wiele i na których najła-twiej jest prowadzić badania - mają zaburzenia działania wielu genów.

6.3. Znaczenie genetyki dla zdrowia i życia człowieka rośliny transge- Tytuł tego podrozdziału należałoby zapisać inaczej: Ogromne znacze-niczne nie genetyki dla zdrowia i życia człowieka. Powiedzieliśmy już sporo o or-

ganizmach transgenicznych. Warto może jeszcze raz podkreślić, że rośli-ny transgeniczne mogą mieć cechy niemożliwe lub t rudne do uzyskania w sposób inny niż przez wprowadzanie konkretnych genów (w klasycznych techni-kach hodowli i selekcji roślin wykorzystuje się całe organizmy, nie dodaje się jednego czy kilku genów roślinie). Istnieją już rośli-ny odporne na mróz, na pewne szkodniki, mające wolno gnijące owoce itp. (ryc. 28).

Jak dotąd zwierzęta transgeniczne wy-korzystuje się rzadziej, choć pewnie zmie-

Ryc. 28. Zastosowanie inżynierii genetycznej umożli- n i s i ę t o w n i e d a l e k i e j p r z y s z ł o ś c i . I d e a wia uzyskanie zupełnie nowych odmian roślin. , , . , . . , . , . . , . ,

produkowania białek jako leków w mleku zwierząt, które produkują duże ilości mleka, jest bardzo atrakcyjna. Po-mysł uzyskiwania zwierząt transgenicznych o szybszym wzroście, modny po uzyskaniu bardzo dużych myszy z genem hormonu wzrostu szczura, jakoś się nie przyjął, może dlatego, że zmienił się stosunek ludzi do wy-korzystywania zwierząt, a może też dlatego, że u zwierząt trudno jest co-kolwiek polepszać. Istnieje zresztą wiele ras bydła czy świń uzyskanych technikami klasycznego hodowania i krzyżowania, o znakomitych para-metrach pod względem produkcji wysokiej jakości mleka, mięsa itd.

genetyka Zagadnienie przeszczepiania człowiekowi narządów - serca, nerek, wątroby itd. - stanowi poważny problem. Liczba chorych oczekujących na różne przeszczepy jest ogromna, a liczba dawców za mała (dawcą mo-że być osoba, która wyrazi zgodę na pobranie narządów po jej śmierci).

a przeszczepianie narządów

6. Inżynieria genetyczna, czyli jak wyręczyć naturę

zmiany genomu świni, a następnie klono-wania świń o odpowiednio zmienionych ge-nomach są interesujące. Zmiany genetycz-ne miałyby służyć temu, by przeszczep nie był odrzucany przez organizm ludzki.

Stosowanie roślin genetycznie zmodyfi-kowanych* wciąż budzi wiele żywych dys-kusji dotyczących ich ewentualnego wpły-wu na środowisko i na nasze zdrowie (ryc. 29). Jeśli chodzi o środowisko, użycie ta-kich roślin kontrolują odpowiednie prze-pisy i instytucje. Ważne jest, by takie prze-pisy istniały, a są one wprowadzone w wielu krajach na świecie, także w Polsce. Rośliny występują w diecie prawie wszyst-kich ludzi. Jeśli rośliny będą miały o jeden lub dwa geny więcej, nie będzie miało to wpływu na zdrowie.

Pewne nowe odmiany roślin, na przy-kład tak zwany złoty ryż z wprowadzonym genem wytwarzania witaminy A, mogą mieć ogromne znaczenie w zapobieganiu chorobom wynikającym z niedożywienia i braku witamin w krajach Trzeciego Świa-ta. Być może wkrótce specjalnie przygoto-wywane jadalne szczepionki pod postacią owoców będą rozwożone do regionów, gdzie docieranie służb medycznych jest trudne i kosztowne.

Techniki inżynierii genetycznej i analiza ludzkich genów umożliwiły określenie, w jakich genach występują mutacje powo-dujące niektóre choroby człowieka. Anali-za takich genów pozwala zrozumieć, co się dzieje w danej chorobie, a to z kolei uła-twia opracowywanie leków. Dzięki techni-

Ryc. 29. Akcja protestacyjna w firmie wykorzystującej zmodyfikowaną genetycznie soję (A), ziarno soi gene-tycznie zmienionej, wysypane w Amsterdamie pod-czas obrad stowarzyszenia przemysłu nowych tech-nologii (B), środki ostrożności podczas badań nad roślinnością modyfikowaną genetycznie (C)

*Często stosuje się określenie GMO (ang. Genetically modified organisms - organizmy gene-tycznie zmodyfikowane), choć tak naprawdę dotyczy ono także modyfikowanych zwierząt, bakterii itd.

Ponadto narządy muszą być pobierane bardzo szybko po śmierci. Rozwią-zanie w postaci przeszczepów międzygatunkowych (np. narządów pobra-nych od świni) także nie rozwiązuje problemu. Nie wiadomo na przykład, czy będą w nich obecne wirusy świni szko-dliwe dla człowieka. Mimo to możliwości

51

kom inżynierii genetycznej uzyskano wiele mysich modeli dla chorób ludzkich. Są to myszy pozbawione pewnych genów lub takie, którym wprowadzono określone geny, na przykład zwiększające podatność na nowotwory. Myszy takie służą do badania, na czym polega konkretna choroba oraz do testowania nowych leków.

Dzięki postępom genetyki zaczęła się rozwijać nowa dziedzina farma-kologii - farmakogenetyka. Na przykład niedawno opracowano nowy lek pomagający leczyć raka piersi wywołanego mutacją genu o nazwie HER-2. Zmutowany gen powoduje, że zmienione nowotworowo komór-ki szybciej się dzielą i łatwiej wywołują przerzuty do innych organów niż w innych odmianach raka. Naukowcy farmakogenetycy wykorzystali fakt, że na powierzchni komórek ze zmutowanym genem HER-2 tworzy się gęsta sieć białkowych wypustek. Po analizie sekwencji nukleotydów DNA zmutowanego genu HER-2 stworzono więc białko, które łączy się ze wspomnianymi wypustkami. Białko to jest rozpoznawane przez ko-mórki układu odpornościowego jako antygen. W ten sposób białko-lek wskazuje komórkom układu odpornościowego te komórki, które mają zmutowany gen HER-2.

Możliwe jest już diagnozowanie niektórych chorób genetycznych na poziomie genu, czyli sprawdzenie, czy u danej osoby występuje mutacja w danym genie i określenie, jaka to mutacja. Taka informacja nie zawsze umożliwia terapię, bowiem nie wszystkie choroby można leczyć. Jednak-że na przykład przy predyspozycjach do nowotworów, wynikających z mutacji w danym genie, można ustalić, kto w rodzinie ma zmutowany gen i wymaga częstych kontroli lekarskich. Pozwala to na wykrycie no-wotworu we wczesnych, uleczalnych stadiach i na wskazanie osób w ro-dzinie, które takiego genu nie mają.

W przyszłości być może leczenie będzie polegało na zastępowaniu wadliwych genów „zdrowymi".

Istnieją jeszcze dwa bardzo ciekawe zastosowania genetyki - terapia ge-nowa i medycyna sądowa. Terapia genowa to dziedzina, która powinna w przyszłości umożliwić leczenie dowolnej choroby wynikającej z obecno-ści wadliwego genu. W idealnej sytuacji - a takiego stanu jeszcze nie ma - na każdą chorobę spowodowaną przez mutację w jakimś genie czekałby „zdrowy" gen w odpowiednim nośniku, który można by wprowadzić do or-ganizmu chorego. Wówczas chory wyzdrowiałby od razu. Pierwszy etap te-go wymarzonego procesu leczenia już trwa - w zasadzie można sklonować każdy gen. Problem stanowi wprowadzenie go do organizmu, by właściwie wbudował się do genomu, czyli aby działał prawidłowo. Ta kwestia nie jest jeszcze rozwiązana, lecz powoli w tej dziedzinie dokonuje się postęp.

W medycynie sądowej analiza DNA wywołała absolutną rewolucję. Kie-dyś powieściowy bohater Artura Conan Doyle'a, Sherlock Holmes, stosu-jący nowoczesne wówczas metody, określał grupę krwi na podstawie pla-mek krwi. Teraz - w rzeczywistości - na podstawie kilku włosów czy kropel

6. Inżynieria genetyczna, czyli jak wyręczyć naturę

śliny i analizy D N A można określić (właściwie ze stuprocentową pewno-ścią), czy dana osoba była obecna na miejscu przestępstwa. Technikę anali-zy D N A stosuje się już w wielu krajach w sądownictwie, zarówno do iden-tyfikacji ofiar, jak i w celu ustalenia tożsamości sprawcy przestępstwa.

Analizę D N A wykorzystują też historycy - kilka lat temu badania szcząt-ków rosyjskiej rodziny panującej pozwoliły na stwierdzenie, że w istocie jest to rodzina carska i że wśród szkieletów brakuje dwojga dzieci cara. Oczywi-ście, takie badania opierają się na porównaniu D N A badanych szczątków z D N A żyjących krewnych rodziny. Badania D N A pozwalają też na prze-śledzenie migracji ludzi i na badanie pokrewieństwa między gatunkami.

6.4. Obecne możliwości oraz perspektywy genetyki

Przewidywania co do przyszłości rzadko się sprawdzają.

Niekiedy z wielkim rozbawieniem oglądamy przewidywania nawet sprzed dziesięciu lat. Na ogól okazują się bardzo chybione, a rzeczywi-stość rozwija się zupełnie inaczej. Jednak spekulacje na temat przyszło-ści człowieka pojawiają się często w prasie - od wizji powstania superga-tunku zmienionego genetycznie po wyginięcie mężczyzn (w odległej przyszłości) oraz możliwości uzyskania wiecznej młodości. Przewidywa-nia podane poniżej będą więc dotyczyły tylko pewnych znanych już fak-tów i ich możliwych konsekwencji.

Raczej nie będziemy żyli wiecznie, bo choć co chwilę u muszek i nicie- 1 genetyka a prze-ni znajduje się geny, które wpływają na długość ich życia, to u ludzi nie dtużanie życia jest to proste. Coś, co przedłuża długość życia u muszki owocowej o dwa tygodnie, wydłuża całe jej życie dwukrotnie, jednak trudno tę zależność odnieść bezpośrednio do człowieka. W przyszłości terapia genowa bę-dzie bardziej powszechna, nigdy jednak nie będzie tania (ryc. 30).

-guz nowotworowy

3 Wektor wnika do wnętrza komórki i leczniczy gen zostaje do genomu tej komórki

4: Leczniczy gen kieruje wytwarzaniem białka, które powoduje zniszczenie kon nowotworowej Zmodyfikowany

genetycznie wektor (tu: wirus) z genem leczniczym dociera z krwią do guza nowotworowego

2 Wektor przyłącza się do nieprawi-dłowej komórki

białko receptorowe komórki nowotworowej

jądro komórkowe

Ryc. 30. Wstrzyknięte do naczyń krwionośnych wektory dostarczą lecznicze geny do konkretnych komórek ciała (tu: nowotworowych).

53

Elementy genetyki

Może kiedyś każde dziecko będzie miaio swój „paszport genetycz-ny". Uzyska go po badaniu DNA, tuż po urodzeniu, w celu wykrycia ge-nów istotnych dla jego zdrowia.

Warto też pamiętać, że nawet gdybyśmy sklonowali na przykład Ein-steina, to po pierwsze teoria względności już istnieje, a po drugie nie ma żadnej gwarancji, że klon będzie także genialnym fizykiem. Geny nie są odpowiedzialne za wszystko,

„ulepszeni" gene- Nie wiadomo, jak się potoczą próby „ulepszonych genetycznie" ludzi, tycznie ludzie N a r a z i e n i e j e s t to możliwe, ale nie da się tego wykluczyć w odległej

przyszłości. Natomiast - mimo sugestii, że ponieważ chromosom Y robi się coraz mniejszy, więc mężczyźni zapewne kiedyś wyginą - nie wydaje się prawdopodobne, by na świecie zostały same kobiety. Nie jest też ja-sne, czy nasz gatunek straci wszystkie włosy, co też podobno jest realne.

Czy wiesz, że...

Akcja filmu Seksmisja w reżyserii Juliusza Machul-skiego rozpoczyna sie w roku 1991, kiedy to prze-prowadzany jest epokowy eksperyment - dwaj mężczyźni Maks i Albert dobrowolnie poddają się hibernacji. Budzą się dopiero w roku 2044. Okazu-je się jednak, że podczas ich snu na Ziemi wybuchła wojna nuklearna, której efektem było całkowite zniszczenie genów męskich, a więc i mężczyzn.

W tej komedii świat bez mężczyzn był możliwy. W rzeczywistości warunkiem życia jest istnienie obu płci.

Kadr z filmu Seksmisja

Warto pamiętać, że to, co będzie w przyszłości, dotyczy przyszłych po-koleń. Nas już wtedy nie będzie. Obecnie najwięcej chorób i dolegliwo-ści na świecie nie jest efektem wadliwych genów, lecz braku ruchu, nad-miaru jedzenia i zbędnego narażania się na działanie szkodliwych czynników (np. dymu papierosowego). Pamiętajmy, że oprócz chorób genetycznych dla współczesnego człowieka niezwykle ważne, a zarazem łatwiejsze jest zwalczanie na przykład chorób cywilizacyjnych, społecz-nych, czy zakaźnych.

Podsumowanie

1. Od lat siedemdziesiątych XX wieku genetyka zyskała niezwykłe możliwości badania i zmieniania genów.

2. Inżynieria genetyczna pozwala na uzyskiwanie - po wprowadzeniu odpowiednich ge-nów do bakterii - białek ludzkich potrzebnych do terapii.

3. Możliwe jest uzyskanie transgenicznych roślin i zwierząt.

54

6. Inżynieria genetyczna, czyli jak wyręczyć naturę

4. W przypadku człowieka ważna jest możliwość badania, czy dana osoba ma gen (geny), mogący wywołać chorobę.

5. Badania inżynierii genetycznej budzą ogromne nadzieje na nowe terapie, ale też obawy 0 granice zmieniania natury.

Ćwiczenia

1. Przedstaw w dowolnej formie (eseju, reportażu, udziału w dyskusji) swoje zdanie na te-mat: „Klonowanie organizmów to kontrowersyjny problem współczesności".

2. Spróbuj przewidzieć kierunki rozwoju genetyki oraz inżynierii genetycznej w najbliż-szej i dalszej przyszłości. Jeżeli będzie to możliwe, skonfrontuj swoje pomysły z pomy-słami kolegów, na przykład przeprowadzając w klasie burzę mózgów na ten temat.

3. Przygotuj referat na temat organizmów transgenicznych. Przedstaw sposób uzyskiwa-nia takich organizmów, podaj konkretne przykłady organizmów transgenicznych 1 przykłady ich wykorzystania przez człowieka.

4. Większość ludzi obawia się wykorzystywania genetycznie zmodyfikowanych organi-zmów. Przeprowadź sondaż (wywiad, ankietę) w klasie, w rodzinie lub wśród znajo-mych i dowiedz się, jakie zagrożenia twoi rozmówcy widzą w produkowaniu i spożywa-niu żywności transgenicznej.

Polecenia kontrolne

1. Wyjaśnij, co oznacza termin: inżynieria genetyczna. 2. Określ przedmiot badań inżynierii genetycznej jako dziedziny naukowej. 3. Opisz działanie enzymów restrykcyjnych i powstawanie lepkich końców. Narysuj frag-

ment DNA z lepkim końcem pasującym do zapisanego poniżej: ACGATCAGCTGGTACGCTGA TGCTAGTCGACCATGC

4. Przedstaw rolę wektora w przenoszeniu fragmentów DNA z jednej komórki do innej. 5. Wyjaśnij pojęcie: klonowanie. Opisz, jak odbywa się klonowanie zwierząt. 6. Znajdź związek między wykorzystaniem niektórych roślin transgenicznych (np. tzw. zło-

tego ryżu) a zapobieganiem chorobom wynikającym z niedożywienia i braku witamin. 7. Podaj trzy przykłady białek uzyskanych dzięki zastosowaniu inżynierii genetycznej. 8. Omów wykorzystanie genetyki, w tym technik inżynierii genetycznej w:

a) uprawie roślin, b) hodowli zwierząt, c) medycynie, d) przemyśle farmaceutycznym, e) przemyśle spożywczym, f) kryminalistyce i medycynie sądowej. W każdym wypadku swoje omówienie poprzyj co najmniej jednym przykładem. Podaj jeszcze inne możliwości wykorzystania osiągnięć genetyki.

55