Genetyka – potęga nauki czy zabawa w Pana Boga?

Genetyka jest dyscypliną biologii, która zajmuje się dziedzicznością i zmiennością organizmów. W zależności od przedmiotu zainteresowań wyróżniamy m.in. genetykę klasyczną (opartą na odkryciach Mendla i Morgana oraz ich następców; dotyczy zasad dziedziczenia, udziału i współdziałania genów w kształtowaniu cech), g. molekularną (zajmuje się badaniami na poziomie molekularnym), populacyjną (przedmiotem jej badań są populacje), cytogenetykę (obejmuje zagadnienia związane z dziedziczeniem na poziomie komórkowym) i inne. Jednak dla nas wszystkich genetyka to synonim postępu nauki. Przekonajmy się, jak jest naprawdę.

Rys historyczny

Pojęcie „genetyka” wprowadził do języka naukowego w 1905 r. Bateson. Jednak badania uznawane za fundamentalne dla zrozumienia zasad dziedziczenia przeprowadził już kilkadziesiąt lat wcześniej Grzegorz Mendel. Ich wyniki opublikował w 1866 r. Podstawowe sformułowane przez niego wnioski są odtąd znane jako tzw. I (prawo czystości gamet) i II (prawo niezależnego dziedziczenia cech) prawo Mendla. Eksperymenty Mendla zostały przeprowadzone w szczególnych warunkach, zaś interpretacja ich wyników dokonana „czysto teoretycznie”. W jego czasach nie znano bowiem ani mejozy, ani chromosomów, ani – tym bardziej – kwasów nukleinowych. A jednak sformułowane przez sławnego zakonnika prawa „przewidują” istnienie zasad organizacji materiału dziedzicznego organizmów eukariotycznych (diplo- i haploidalność) i przebiegu mejozy. Tyle, że nadal nikt nie wie, co jest tym materiałem i w jaki sposób jest on przekazywany z pokolenia na pokolenie.

W 1869 r. Miescher wyizolował z bandaży nasiąkniętych ropą „nukleinę”, która potem okazała się kwasami nukleinowymi (twórcą nazwy jest w 1889 r. Altman). Niespełna 20 lat później (1888 r.) Boveri, van Beneden i Strassburger odkrywają proces mejozy.

Mija kolejne 12 lat i dokładnie w 1900 r. Correns, Tschermak i de Vries niezależnie od siebie potwierdzają wyniki praw Mendla. W 1902 r. McClung odkrywa chromosomy płci, a rok później Sutton i Boveri sugerują analogię praw Mendla i przebiegu mejozy. Po odkryciu przez Batesona (1905 r.) sprzężenia cech rysuje się szansa wyjaśnienia materialnych podstaw dziedziczenia cech. W 1911 r. T. Morgan ogłasza chromosomową teorię dziedziczności, która staje się jedną z najważniejszych w historii biologii.

Nadal jednak nie wiadomo jaki związek (bądź związki chemiczne) jest nośnikiem informacji genetycznej. Pierwsze badania, które mogły dać odpowiedź na to pytanie przeprowadzono w 1928 roku, kiedy Griffith opisał zjawisko transformacji u bakterii Diplococcus pneumoniae. Jednak na pełne wyjaśnienie czekano aż 16 lat. W 1944 r. Avery z zespołem kontynuując badania nad transformacją w serii doświadczeń udowodnili, że informacja genetyczna jest „zapisana” w DNA.

Kolejni uczeni koncentrują się nad budową kwasu deoksyrybonukleinowego i zasadami zapisu informacji. W latach 1950. dochodzi do serii przełomowych odkryć. W 1953 r. Crick i Watson opisują model budowy DNA oparty na regule Chargaffa i komplementarności zasad azotowych tworzących jego łańcuch. Trzy lata później Kornberg odkrywa kluczowy enzym uczestniczący w syntezie kwasu – polimerazę DNA. W kolejnym roku Hoagland, Zamecnik i Stephenson identyfikują tRNA, a w 1958 r. Meselson i Stahl wyjaśniają zasady replikacji DNA (szczegółowy model replikacji opracowuje w późniejszym okresie Okazaki, 1969 r.).

W serii badań prowadzonych w kilku znaczących ośrodkach naukowych rozwikłano jeden z największych dotychczasowych problemów – zasady przenoszenia informacji zapisanej w sekwencji nukleotydów w DNA na kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym. Określono to pojęciem kodu genetycznego, w którego odkryciu największy udział mieli Nirenberg, Khorana, Crick, Brenner i Ochoa. Ostateczne ustalenie kodu genetycznego nastąpiło w 1965 r. Kod genetyczny jest bardzo często utożsamiany z informacją genetyczną, co jest ewidentnym błędem.

Rok 1970 jest datą odkrycia przez Temina i Baltimore odwrotnej transkrypcji. Jednocześnie Arber, Nathans i Smith opisują restryktazy. Staje się to punktem zwrotnym w praktycznym zastosowaniu genetyki molekularnej. Pojawia się nowa dyscyplina – inżynieria genetyczna. Pierwsza konferencja dotycząca zasad prowadzenia badań w inżynierii genetycznej odbyła się w Asilomar (Kalifornia, 1975 r.). Już na przełomie lat 1970/80. pojawiają się pierwsze spektakularne efekty (m.in. synteza interferonu, Weissman, 1980). W 1981 r. Wagner otrzymuje zwierzęta transgeniczne – rozpoczyna się era GMO (Genetically Modified Organisms).

W 1984 r. pojawiła się idea Projektu Poznania Genomu Człowieka (Human Genome Project) i pięć lat później w USA powołano Narodowe Centrum Badań Genomu Człowieka (dyrektorem zostaje Watson). Pierwsza mapa ludzkiego genomu zostaje przedstawiona w 2001 r. przez Ventera (Celera Genomics). Dwa lata później syntetyzuje on, wraz ze Smithem, faga phiX174 zawierającego 5386 par zasad, a po siedmiu latach odtwarza genom bakteryjny i wszczepia go do komórki innego szczepu.

W 2012 r. zostaje wprowadzona nowa metoda edycji genu (CRISPR), a kilka lat później (2019) jeszcze jedna technika – SATI. Rodzi się biologia syntetyczna – życie w wersji 2.0. Zabawa w Pana Boga zaczyna się na dobre. W kolejnych notkach spróbuję przedstawić kilka najważniejszych problemów. Dziś, dla przypomnienia, garść podstawowych terminów.

Podstawowe pojęcia:

• gen – podstawowa jednostka dziedziczności kodująca określone białko lub RNA (odcinek DNA odpowiedzialny za konkretną funkcję)
• allel – alternatywne formy danego genu zajmujące to samo miejsce (locus) w parze chromosomów;
• locus – miejsce genu na chromosomie
• ekson – kodujący odcinek genu (odcinek genu zawierający nukleotydy kodujące sekwencję aminokwasów w białku)
• intron – niekodujący odcinek genu (odcinek genu, który nie zawiera sekwencji wykorzystywanych w syntezie białek)
• genom – materiał zawarty w haploidalnym zestawie chromosomów
• pula genowa – suma wszystkich genów danej populacji
• genotyp – zespół genów konkretnej komórki, konkretnego osobnika lub gatunku
• fenotyp – zespół cech konkretnego osobnika (kształtuje się we współdziałaniu genotypu i środowiska)
• kariotyp – diploidalny zestaw chromosomów konkretnego organizmu (jest charakterystyczny dla gatunku, płci, choroby genetycznej…)
• homozygota – osobnik z dwoma identycznymi allelami danego genu
• heterozygota – osobnik z dwoma różnymi allelami danego genu
• mutacja – nagła, skokowa zmiana materiału dziedzicznego
• rekombinacja – powstawanie nowych genotypów wskutek losowej segregacji chromosomów, crossing-over i losowego łączenia gamet
• transkrypcja – synteza RNA na matrycy DNA lub na odwrót
• translacja – synteza białka
• transformacja – 1. u bakterii: pobranie obcego DNA (zwykle plazmidu); 2. wprowadzenie do komórki obcego materiału genetycznego
• transdukcja – wprowadzenie do komórki nowego genu (obcego DNA) przez wirusa; w naturalnych warunkach występuje u bakterii, do których materiał wprowadzają fagi
• monosomia – brak w genotypie jednego chromosomu (rodzaj aneuploidii); u człowieka przykładem jest zespół Turnera
• trisomia – obecność dodatkowego chromosomu (rodzaj aneuploidii); typowym przykładem jest zespół Downa
• aneuploidia – brak lub nadmiar w kariotypie jednego-kilku chromosomów w stosunku do podstawowej liczby prawidłowej dla gatunku (jest efektem non-dysjunkcji)
• nierozdzielność (nondysjunkcja) – brak rozdziału siostrzanych chromatyd (mitoza) lub chromosomów homologicznych (mejoza)
• euploidia – występowanie typowego dla danego gatunku pojedynczego (monoploidia) lub zwielokrotnionego (diploidia, poliploidia) garnituru chromosomów
• amniopunkcja – nakłucie pęcherza płodowego przez powłoki brzuszne lub pochwę w celu pozyskania materiału genetycznego do badań prenatalnych
• biwalent – para chromosomów homologicznych w okresie koniugacji podczas I podziału mejotycznego 
• chromatyna płciowa (ciałko Barra) – grudka chromatyny będąca w okresie interfazy inaktywowanym chromosomem X.