W roku 2023 mija 70 lat od odkrycia struktury cząsteczki DNA – nośnika informacji genetycznej, a zatem molekuły kodującej informację o budowie i funkcjach wszystkich form życia ziemskiego.
Wprawdzie łącznie z nieco inaczej zbudowanym RNA, niemniej to właśnie DNA przejął na pewnym etapie ewolucji biochemicznej rolę wiodącej cząsteczki, w której zakodowana jest instrukcja życia. Historia odkrywania molekuły życia jest jednak znacznie dłuższa niż wspomniane na wstępie 70 lat.
W jakim stopniu i w jaki sposób geny decydują o naszym życiu osobniczym i ewolucji gatunku homo sapiens – interesuje współczesną naukę dysponującą wyrafinowanymi metodami badań i technologiami pozwalającymi nawet na ingerowanie w zasady kodowania i realizacji informacji zapisanej w materiale genetycznym. A jednak wciąż ta sfera życia biologicznego wymyka się naszemu poznaniu i rozumieniu – i to tym bardziej, im większy gmach wiedzy o DNA i w ogóle materiale genetycznym komórek i wirusów budujemy.
Nasz mózg, który owe tajemnice genów, dziedziczenia i ewolucji odkrywa sam, jest przecież wytworem ewolucji, a kora mózgowa człowieka najprawdopodobniej zawdzięcza swój wyjątkowo zaawansowany rozwój ewolucyjny i złożoność budowy, a zatem i funkcji, zmianom w wyniku pojedynczej mutacji genowej, która odmieniła bieg ewolucji naszego mózgu i pomogła w powstaniu człowieka myślącego. Badacze z Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej oraz Genetyki im. Maxa Plancka twierdzą, że zamiana jednego aminokwasu w białku (budowa białka zakodowana w genach oparta jest o aminokwasy, których sekwencję wyznacza struktura genu) kodowanym przez gen TKTL1 spowodowała silniejszy rozwój kory mózgowej. To otworzyło naszym przodkom nowe możliwości i dało przewagę nad neandertalczykami, a nam współczesnym daje możliwość odkrywania największych tajemnic życia. Na ich czele jest stawiana molekuła badana i odkrywana tak naprawdę od ponad 100 lat, a wciąż wymykająca się naszemu dążeniu do absolutu poznania.
Życie to chemia… i nie tylko
Friedrich Miescher pracujący w niemieckim Tubingen badał leukocyty (białe komórki krwi), które uzyskiwał z ropy świeżych bandaży zbieranych w miejscowej klinice. Interesowały go białka, niemniej po jakimś czasie wyizolował z jąder komórkowych leukocytów nową substancję. Ulegała ona wytrąceniu w kwaśnym środowisku, nie rozpuszczała się w wodzie i chlorku sodu, za to rozpuszczała się w wodorotlenku sodu i wodorofosforanie sodu. Miescher opracował dla swoich dalszych badań metodę izolacji jąder komórkowych i uzyskiwał duże ilości nowo odkrytej substancji, nadając jej nazwę – nukleina (łac. nucleus, jądro). Badacz zasugerował, że nukleina może być kwasem obecnym także w innych komórkach i tkankach. Publikacja naukowa o izolacji nukleiny ukazała się drukiem w roku 1871, choć Miescher przygotowywał ją już od dwóch lat. Był to pierwszy krok do poznania molekuł życia.
Mendel i inni na tropach dziedziczenia
Obecnie geny to podstawowe pojęcie genetyki – nauki, której ojcostwo przypisuje się Gregorowi Mendlowi, augustiańskiemu zakonnikowi i naukowcowi. Mendel, podobnie jak Miescher, w latach 60. XIX stulecia prowadził obserwacje dziedziczenia cech u rośliny – groszku zwyczajnego (Pisum sativum). Efektem jego badań było zdefiniowanie podstawowych praw genetyki, znanych jako prawa Mendla. Jednostki dziedziczenia, jak je określał Mendel, zastąpione zostały pojęciem „gen” w roku 1909 (Wilhelm Johanssen). Również Johanssen zaproponował pojęcia „fenotyp” (cechy będące efektem działania genów) oraz „genotyp” (zestaw genów komórki i organizmu). Jeszcze w roku 1906 Wiliam Bateson zaproponował, żeby dział biologii zajmujący się badaniem dziedziczenia i zmienności organizmów określić jako „genetyka”. Terminy te użyte zostały po raz pierwszy podczas Międzynarodowego Kongresu Genetycznego w Berlinie (rok 1927).
Przełomowym w historii odkrywania DNA było stwierdzenie, że geny są fizycznie istniejącymi jednostkami ułożonymi liniowo w chromosomach (pałeczkowate struktury skondensowanego materiału genetycznego widoczne w dzielących się komórkach). To zasługa Waltera Suttona, Theodora Boveri i Thomasa Hunta Morgana. Pierwsze rozumienie natury genów zostało modyfikowane wraz z rozwojem technik biologii molekularnej. Odkryto, że geny eukariotyczne są genami podzielonymi (zawierają w części kodującej introny nieniosące informacji). Odkryty został splicing – proces składania genów po zajściu odczytu informacji genetycznej.
Wszystkie wczesne odkrycia prowadziły mniej lub bardziej zawiłymi drogami do identyfikacji DNA jako nośnika informacji genetycznej.
Griffith, Avery, bakterie i siedlisko genów
Frederick Griffit pracując nad szczepionką przeciwko zapaleniu płuc (okres pandemii grypy hiszpanki), badał dwa szczepy Streptococcus pneumoniae – niewirulentny szczep R (ang. Rough), bezotoczkowy oraz chorobotwórczy szczep S (ang. Smooth) posiadający otoczkę polisacharydową. Wprowadzenie do myszy szczepu S wywoływało zapalenie płuc u tych zwierząt. Myszy zakażane szczepem R pozostawały zdrowe. Podanie mieszaniny inaktywowanego szczepu S i normalnego R także powodowało chorobę. Griffith postulował istnienie w inaktywowanych bakteriach typu S czynnika transformującego, dzięki któremu niewirulentne szczepy nabierały właściwości chorobotwórczych. Ponieważ ekstrakt inaktywowanych bakterii S zawierał niemal czysty DNA, a jego zdolność do transformacji zanikała po potraktowaniu DNAzą, inny badacz – Oswald Avery wykazał, że czynnikiem transformującym Griffitha był DNA. Zatem DNA okazał się być materiałem genetycznym – siedliskiem genów i czynnikiem przekazującym informacje genetyczną. Jednak początkowo odkrycie to wzbudzało szereg kontrowersji, gdyż uważano dotychczas, że dobrym kandydatem jako nośnik informacji genetycznej są białka.
Kiedy potwierdzono, że DNA jest siedliskiem genów rozpoczął się wyścig o ustalenie struktury tej biomolekuły. Bowiem, aby zrozumieć funkcje i mechanizmy działania jakiejkolwiek molekuły, należy znać jej strukturę.
Funkcja wypływa zawsze ze struktury. Od kryształu do helisy
W czasopiśmie „Nature” – wiodącym periodyku naukowym – 25 kwietnia 1953 roku ujawniły się drukiem trzy publikacje naukowe dotyczące struktury DNA. Pierwsza Watsona i Cricka, druga Wilkinsa, Stonesa i Wilsona oraz kolejna Franklin (Rosalind) i Goslinga. Praca Watsona i Cricka to: Watson J.D., Crick F.H.C. A structure for deoxyribonucleic acid. „Nature” 1953, 171, s. 737–738.
Co ciekawe, Maurice Wilkins (Kings College London) badając DNA w świetle spolaryzowanym, dostrzegł, że jego włókna zbudowane są z długich równolegle ułożonych cząsteczek. Wilkins wraz z Goslingiem uzyskali już w 1950 roku pierwszy obraz rozpraszania promieni X na kryształach DNA. W 1951 roku do wymienionych badaczy dołączyła pani Rosalind Franklin, która uzyskała obrazy dyfrakcji rentgenowskiej na kryształach DNA i wskazała podczas jednej z konferencji naukowych (słuchał jej Watson) na możliwość struktury helikalnej DNA z resztami fosforanowymi na zewnątrz helisy. Zresztą po latach sam Francis Crick powiedział, że Franklin sama rozwiązałaby zagadkę struktury DNA, ale trwałoby to znacznie dłużej niż w przypadku realizacji geniuszu rozważań teoretycznych Watsona i Cricka.
Kilka lat później, po ujawnieniu światu struktury helikalnej DNA, w roku 1957 Francis Crick sformułował Centralny Dogmat Biologii Molekularnej (CDBM) opisujący molekularne podłoże życia. Według CDBM kwasy nukleinowe są źródłem informacji realizowanej w postaci syntetyzowanych w komórce białek. Przepływ informacji genetycznej realizowany jest od DNA poprzez RNA do białek.
I obecnie, gdy opadł kurz…
Pod koniec lat 90. XX wieku opublikowana została pełna sekwencja ludzkiego chromosomu nr 22 (mamy ich 23 pary, czyli 46 chromosomów w każdej komórce ciała). Natomiast w roku 2000 (czerwiec) ówczesny prezydent USA Bill Clinton i premier Wielkiej Brytanii Tony Blair wspólnie ogłosili uzyskanie wstępnej wersji sekwencji (kolejności liter kodu genetycznego) genomu człowieka, w ramach projektu NIH/Celera, a wyniki tego osiągnięcia opublikowane zostały w roku 2001 w czasopismach „Science” oraz „Nature”.
Dalszy postęp naukowy, biochemia kwasów nukleinowych oraz postęp technologiczny pozwoliły na rozwój robiącej dziś furorę dziedziny biologii molekularnej, jaką jest Epigenetyka. Obecnie rozumiana jest jako chemiczne zmiany modyfikacyjne cząsteczki DNA i białek chromatynowych, decydujące o aktywności ekspresji genów. Coraz lepiej poznajemy genom człowieka. Odkryty 150 lat temu DNA święci triumfy, a XX i XXI wiek przynoszą ogromny postęp wiedzy i rozwój technik, co umożliwiło wyodrębnienie takich dziedzin jak biotechnologia czy medycyna molekularna. Obecnie liczba prac naukowych dotyczących DNA sięga setek tysięcy pozycji na dekadę (np. lata 2000–2009 to 460081 pozycji bibliograficznych).
Biologia molekularna stanowi dziś o postępie medycyny, a ta wkracza coraz mocniej w życie człowieka i można mówić nawet o medykalizacji naszego życia. 150 lat wstecz, przed erą kwasów nukleinowych, świat i życie człowieka wyglądały zupełnie inaczej.
Polecane do przeczytania:
Watson J., The Double Helix. Orion Publishing Co. 2010; (jest także wydanie polskie).
Crick F., Szalona pogoń. W poszukiwaniu tajemnicy życia. Marabut Oficyna Wydawnicza Volumen 1996.
Dr n. med. Marek Jurgowiak – adiunkt w Katedrze Biochemii Klinicznej, Wydział Farmaceutyczny CM UMK, Rada Programowa: Centrum Nowoczesności Młyn Wiedzy i Toruński Festiwal Nauki i Sztuki, „Wiadomości Akademickie”, stały współpracownik „Głosu Uczelni”, autor podręczników, popularyzator nauki
