Czym jest genetyka?
Genetyka:
Słowo genetyka wywodzi się z greckiego genetes, co znaczy rodzic, zrodzony. Jest to nauka o zmienności i dziedziczności u istot żywych. Jej początek datujemy na rok 1900, w którym to potwierdzono zapomniane i spowite kurzem wyniki prac Grzegorza Mendla. Gwałtowny rozwój genetyki nastąpił w ostatnich 30 latach za sprawą odkryć z dziedziny biologii molekularnej. Naukę tą dzielimy na:
- g. molekularna - fizykochemiczne podstawy działania materiału genetycznego
- g. klasyczna - ogólne mechanizmy dziedziczenia
- g. biochemiczna - chemiczne podłoże czynników dziedziczności i sposobów ich działania
- fenogenetyka - mechanizmy działania genów w wytworzeniu cechy
- cytogenetyka - budowa i funkcje chromosomów i ich związek z przekazywaniem genów
- immunogenetyka (g. odporności) - mechanizmy genetyczne odporności
- g. lekarska (medyczna) - podłoże chorób dziedzicznych
- g. populacyjna (ilościowa) - mechanizmy zmienności w populacjach związane ze zmianami częstości genów pod wpływem mutacji, selekcji, migracji, sposobu kojarzenia się osobników i innych czynników losowych. Posługuje się ona metodami matematycznymi w tłumaczeniu mechanizmów ewolucji, jest też podstawą naukową metod hodowli roślin i zwierząt.
Pojęcie Genu:
Jest to jednostka substancji dziedzicznej zlokalizowana w chromosomie lub cytoplaźmie. Jest on nośnikiem informacji, przechowuje ją, jest to źródło danych, z których czerpie natura, aby nas stworzyć. Tu zawiera się barwa naszych oczu, włosów i innych w pewnym stopniu przymiotów. Gen to odcinek DNA o liniowej sekwencji nukleotydów, która stanowi informację genetyczną. Pod kontrolą owej informacji odbywa się synteza określonych białek np. enzymów. Gen może zostać podzielony w procesie crossing-over wewnątrz-genowego na mniejsze odcinki zwane rekonami. Może on również uledz mutacji w miejscach zwanych mutonami. W zależności od wykonywanej funkcji wyróżniamy g. struktury i g. regulatorowe. Informacja zawarta w większości g. struktury jest przepisywana w procesie transkrypcji na mRNA, który jest matrycą decydującą o sekwencji aminokwasów w syntezowanym białku. Jeden gen wyznacza skład aminokwasowy jednego łańcucha polipeptydowego. Jednakże większość g. organizmów eukariotycznych tzn. roślin i zwierząt zbudowanych z komórek zawierających typowe jądra komórkowe z chromosomami i błoną jądrową, gdzie zachodzą podziały jądrowe (mitoza i mejoza), ma strukturę nieciągłą (g. podzielone lub mozaikowe), ponieważ składa się z egzonów, odcinków zawierających informację genetyczną, które są poprzedzane intronami, odcinkami pozbawionymi owej informacji. Cały ciąg DNA jest przepisywany na RNA, z którego zostają wycięte introny, oraz w którym egzony zostają połączone w mRNA. Z tego względu geny eukariontów są nieraz znacznie dłuższe niż kodowane przez nie mRNA. Informacja genetyczna pozostałych genów struktury jest przepisywana na tRNA lub rRNA, które są niezbędne przy syntezie białka (translacji). A jakie zadanie mają wobec tego g. regulatory? Otóż ich zadanie polega na kontrolowaniu działania genów struktury. To one włączają i wyłączają ich aktywność, powodując wytwarzanie określonego białka w jedynie w pewnych komórkach organizmu i w odpowiednim momencie rozwoju czy stanie funkcjonalnym.
Geny odcinkami podzielonymi?
Tak, geny za wyjątkiem bakteryjnych są podzielone. Geny eukariotyczne i wirusowe posiadają grupę odcinków podzielonych sekwencjami nie kodującymi. W takiej podzielonej strukturze odcinki nie kodujące nazywamy eksonami, a kodujące intronami. Naturalne wydaje się być pytanie jak taki rozproszony gen może kodować ciągły łańcuch polipeptydowy? Jest to możliwe w skutek usunięcia intronów, podczas gdy informacja genetyczna znajduje się w RNA. Oznacza to, że tłumaczony jest cały odcinek DNA zawierający introny i eksony. RNA, który powstaje nie opuszcza jądra, a enzymy będące w jądrze komórkowym, przecinają połączenia pomiędzy intronami a eksonami,, po czym usuwają introny i łączą sąsiadujące eksony. W ten sposób powstaje mRNA, zawierająca informację o ułożeniu aminokwasów w kodowanym przez nią łańcuchu polipeptydowym. Następnie cząsteczka opuszcza jądro komórkowe i przedostaje się do cytoplazmy, gdzie staje się matrycą dla cząsteczek DNA podlegających syntezie.
Kompresja danych w biologii?
Geny zazwyczaj zawierają informację odnoszącą się do jednego łańcucha polipeptydowego. Lecz czasami ta sama sekwencja wykorzystana jest do kodowania różnych łańcuchów polipeptydowych. Zjawisko to nazywamy nakładaniem się genów. Spotyka się je w bardzo małych wirusach. Odczytywanie zapisu dla dwóch łańcuchów polipeptydowych rozpoczyna się w miejscach przesuniętych o 1 nukleotyd. Ta sytuacja pozwala na lepsze wykorzystanie genomu, bądź co bądź małego wirusa. Jest to czysta ekonomia natury, kompresja danych w analogi do informatyki.
Dziedziczenie cech
Cechy sprzężone
Prawa Mendla nie zawsze są słuszne np. gdy cech, które leżą w jednym chromosomie. Cechy takie dziedziczą się w sposób sprzężony, tzn. ich geny wędrują do tej samej gamety. W przypadku krzyżówki homozygot dominującej AABB i ulegającej dominacji aabb stosunek fenotypów podwójnie dominujący do podwójnie recesywnego wyniesie 3:1. Cechy A i B zachowują się tu jak jedna cecha. Cechy osobników są sprzężone z płcią na co wskazują liczne doświadczenia z muszką owocową, u której barwa oczu jest zależna od rodzaju płci.
Grupy krwi u człowieka
U człowieka występują 4 grupy krwi uwarunkowane przez allele wielokrotne tzn. że w danym miejscu na chromosomie może występować kilka genów warunkujących grupę krwi. Grupy krwi dziedziczą się zgodnie z 1 prawem Mendla. W diploidalnej komórce są jedynie dwa allele danego genu, lecz w całej populacji ich liczba może być większa. Mogą one pozostawać ze sobą w różnych stosunkach jeśli chodzi o dominację recesywność czy też brak dominacji. Przykładem mogą być allele genu określającego grupę krwi człowieka w systemie AB0. Będą to trzy allele. IA oraz IB odpowiedzialne są za syntezę dwóch różnych enzymów włączających dwa różne cukry do związków będących na powierzchni krwinek (odpowiednio są to grupy A i B). Trzeci allel i nie koduje żadnego enzymu (odpowiada za grupę 0). Obecność jednego z enzymów nie wpływa na obecność drugiego, a więc w przypadku alleli IA oraz IB nie ma dominacji. Grupę krwi 0 ma osoba homozygotyczna względem i, osoby o obu allelach IA oraz IB mają grupę krwi AB.
Tabela genotypów grup krwi.
grupa krwi genotyp
A IaIa; Iai
B IbIb; Ibi
AB IaIb
0 ii
Występujące geny w lokum
gen funkcja
Ia gen dominujący w którego obecności zachodzi synteza aglutynogenu A
Ib gen dominujący w obecności którego syntezowany jest aglutynogen B
i gen recesywny w obecności którego nie zachodzi synteza aglutynogenu
Dziedziczenie płci
U znacznej części gatunków połowa osobników posiada płeć męską, połowa natomiast żeńską. Owy rozkład płci spowodowany jest poprzez krzyżówkę homo i heterozygoty odnoszącej się do całych chromosomów. W komórkach somatycznych występuje para chromosomów płciowych. U ssaków osobniki męskie są cheterozygotami, a żeńskie homozygotami pod względem chromosomów płciowych. Oto przykładowa krzyżówka osobnika ludzkiego żeńskiego z męskim:
P: z XX x m XY
G: z X, X, m X, Y
F1: XX, XX, XY, XY
Widzimy więc, że z owej krzyżówki powstały 2 osobniki męskie i dwa żeńskie. A więc stosunek powstałych osobników wynosi 1:1, lub po 50%.
Cechy ilościowe
Nie każda cecha jest wyrażana za pomocą jednoznacznego fenotypu, jednego z kilku wariantów. Masa czy też wysokość ciała ludzkiego podlegają ciągłym zmianom. Jeśli wzięlibyśmy dostatecznie dużą populację wówczas znajdziemy w niej grupy osób należące do każdego przedziału wysokości. Cechy podlegające zmianom możemy opisać jedynie statystycznie. Nazywają się one cechami ilościowymi. Wykres wzrostu od liczebności ludzi w danego wzrostu przedstawia funkcja prawdopodobieństwa zwana krzywą Gaussa. Jednak cechy ilościowe podlegają prawom Mendla, tyle że są określane przez kilka genów, tzn. są poligeniczne.
Kiedy nie ma dominacji
Aby rozpatrzyć ten przypadek posłużymy się krzyżówką roślin o barwie kwiatów czerwonej AA i białej aa. Gdy aktywność kodowanego enzymu przez jeden allel czerwonej barwy kwiatów nie będzie zbyt wysoka aby zabarwić na czerwono kwiaty heterozygotycznej rośliny, wtedy te osobniki będą miały barwę różową.
Środowisko a cechy
Informacja genetyczna nie określa w sposób jednoznaczny cechy. Fenotyp nie jest określany jedynie przez genotyp, genotyp jedynie daje możliwość zrealizowania kilku form cechy. O formie fenotypu decyduje więc także środowisko, w którym osobnik się rozwija. Organizmy o identycznych genotypach nie muszą mieć identycznych fenotypów, np. bliźnięta jednojajowe, nie zawsze tak samo się zachowują, ich psychika niesie ze sobą często bagaż z goła różnych doświadczeń. Idealnym przykładem zależności fenotypu od środowiska jest przypadek królików. Ich żółta barwa tłuszczu spowodowana jest odkładającymi się ksantofilami z paszy, biała natomiast posiadaniem enzymu rozkładającego ksantofil. Barwa biała tłuszczu jest cechą dominującą ponieważ enzym, który rozkłada ksantofil znajduje się w heterozygotach. Krzyżówka dwóch królików homozygotycznych pod względem koloru tłuszczu, o tłuszczu białym i żółtym da nam w drugim pokoleniu rozkład potomstwa w stosunku 3:1, lecz tylko wtedy, gdy karmimy króliki paszą zawierającą ksantofile. Gdy ksantofili zabraknie tłuszcz wszystkich królików nabierze barwy białej. Jednak owe modyfikacje wprowadzone przez środowisko, tutaj przez ludzi, nie są dziedziczne. Gdy króliki nie posiadające enzymu przeniesiemy na dietę z ksantofilem, ich tłuszcz odzyska barwę żółtą.
Genetyka a człowiek
Stosowane metody badawcze:
Genetyka człowieka nie posługuje się metodą Mendla, metodą krzyżowania osobników. Przeprowadzanie doświadczeń na ludziach jest zabronione. Jesteśmy w końcu istotami myślącymi, odczuwającymi ból stokroć mocniej, aniżeli inne organizmy posiadające ograniczoną świadomość istnienia. Oczywiście możemy się domyślać, iż rządy wielkich państw przeprowadzają doświadczenia na człowieku, mające doprowadzić do poznania genomu ludzkiego w tajemnicy przed opinią publiczną. Posiadając taką wiedzę można stworzyć zaprogramowane armie ludzi-żołnierzy o wrodzonej bezwzględności i sile, używanych do opanowania świata przez grupę wybranych. Inną wizją jest zaprogramowane społeczeństwo z odpowiednio zmutowanymi strukturami genetycznymi wprowadzonymi poprzez szczepienia. Przyjrzyjmy się jednak temu, co dała nam sama natura. Jak więc uzyskujemy informacje na temat genomu, nie ingerując w prawa ogólnoludzkie? Otóż jest kilka metod. Oto one:
- analiza rodowodów sporządzanych na podstawie dokumentacji określonych cech osobników - pozwala ona na określenie dominacji lub recesywności cechy, oraz jest źródłem informacji w przypadku występowania dziedzicznych schorzeń genetycznych
- obserwacja bliźniąt jednojajowych - są one najbardziej spokrewnionymi osobnikami ludzkimi dzięki czemu ich obserwacja dostarcza informacji przydatnej przy analizie cech poligonicznych i przy kreśleniu udziału genotypu i środowiska przy powstawaniu fenotypu
Chromosomy człowieka:
Posiadamy 46 chromosomów, z czego 22 pary to autosomy, a pozostała para to chromosomy płciowe. Nasza wiedza pozwala dzięki badaniom cytogenicznym wykryć nieprawidłowości genetyczne jeszcze przed urodzeniem dziecka. Oto sposób przeprowadzenia tej metody: Wiemy, że w pierwszej części cyklu komórkowego, komórki ludzkie pozostają w stanie zdekondensowanym (wypełniają jądro jednolitą masą o nieokreślonej morfologii). Jedynie w mitozie, a zwłaszcza w metafazie chromosomy przyjmują określony kształt, stając się rozróżnialne. Jednakże metafaza jest cyklem bardzo krótkim i znalezienie ich w preparacie dzielących się komórek jest mało prawdopodobne. Istnieje jednak furtka, jest nią kolchicyna - substancja po której dodaniu do badanych preparatów zatrzymuje się dzielące się komórki w metafazie. Tak zatrzymane komórki oglądamy pod mikroskopem. Chromosomy są rozróżnialne ze wzg. na kształt i kolor prążków powstających poprzez zabarwienie ich części przez pewne związki chemiczne. Analiza układu prążków pozwala na wykrycie zakłóceń genetycznych (przemieszczenie fragmentu chromosomu na inny).
Zaburzenia:
Gdy kariotyp jest nieprawidłowy występują u człowieka zaburzenia. Nadmiar, lub niedomiar autosomów powoduje zazwyczaj śmierć zarodka w początkowym okresie rozwoju płodowego. Jednym z wyjątków od tej reguły jest tzw. zespół Downa. Polega on na obecności trzeciego chromosomu 21. Oznacza to nieodwracalny niedorozwój umysłowy i psychiczny urodzonego dziecka. Ryzyko urodzenia dziecka z zespołem Downa wzrasta wraz z wiekiem, dlatego też radzi się by kobiety rodziły przed 35 rokiem życia. Do zaburzeń liczbowych należy np. nieprawidłowość chromosomów płciowych. Zaburzenia te są śmiertelne, lub też ich konsekwencją jest bezpłodność albo upośledzenie umysłowe. Nuiezależnie od ich liczby płeć człowieka zależy jedynie od obecności/braku chromosomu Y. Mężczyzna posiada ów chromosom, u kobiety go brak.
Tabela ukazująca prawidłowe i nieprawidłowe chromosomy płciowe i odpowiadającą za nie płeć
Chromosomy płciowe Płeć
XX kobieta
XY mężczyzna
X kobieta
XXXX kobieta
XXY mężczyzna
XXXY mężczyzna
XYY mężczyzna
Choroby uwarunkowane genetycznie:
Defekty w materiale genetycznym odziedziczone lub powstałe w wyniku mutacji są przyczyną chorób. Wiele z nich jest spowodowanych przez defekt pojedynczego genu i są dziedziczone wg. praw Mendla. Jest tak w przypadku galaktozemii. Osoby chore na nią posiadają defekt jednego z enzymów katalizujących włączenie prostego cukru, czyli galaktozy, do ciągu przemian metabolicznych komórki. Z tego też powodu nie mogą one pić mleka, które zawierającego laktozę, gdyż nie rozłożone pochodne galaktozy odkładają się w tkankach uszkadzając nieodwracalnie nerki, wątrobę, układ nerwowy. Inną chorobą genetyczną jest fenyloketonuria, polegająca na niemożności przekształcenia aminokwasu fenyloalaniny w tyrozynę. Przy wprowadzeniu odpowiedniej diety u dziecka powyższe choroby nie powodują poważnych skutków, lecz jeśli rozpoznanie nie nastąpi w porę dochodzi do uszkodzenia mózgu. Choroby mogą być też wywołane przez allele recesywne przebywające w autosomach. Ich skutki nie występują u heterozygot, i dopiero homozygotyczne dziecko zdrowych heterozygotycznych rodziców zaczyna zdradzać objawy choroby. Upośledza ona dotkniętego nią dziecka na długo przed osiągnięciem dojrzałości płciowej zabezpieczając przed wydaniem chorego potomstwa. Wyjątkiem od tej reguły jest pląsawica Huntingtona. Jest ona wywołana przez defekt pojedynczego genu, a allel odpowiadający za nią jest dominujący. Jest to choroba mózgu objawiająca się zaburzeniami ruchu. Objawy chorobowe pojawiają się ok. 35-40 roku życia, wskutek czego allel pląsawicy utrzymuje się w populacji. W przypadku galaktozemii powodowanej przez allel recesywny prawdopodobieństwo odziedziczenia choroby wynosi 25%, a w przypadku pląsawicy Huntingtona 50%. Innym przypadkiem są choroby będące skutkiem defektu genu chromosomu X. Ta przypadłość uwidacznia się jedynie u mężczyzn, gdyż u kobiet obecność prawidłowego genu na drugim chromosomie X maskuje defekt. Jako przykład można podać hemofilię. U chorego na nią człowieka brakuje jednego z czynników biorących udział w krzepnięciu krwi. Ludzie tacy są więc narażeni na trudne do zatamowania krwotoki, zwłaszcza wewnętrzne.
Poradnictwo genetyczne dla grup ryzyka:
Istnieje wiele metod pozwalających określić prawidłowość rozwijającego się płodu. Są to np. obserwacje ultrasonograficzne, czy też badanie kariotypu u rodziców lub u płodu w początkowym stadium rozwoju, jeśli np. w rodzinie występowały przypadki chorób zespołu Downa. Jeżeli badania wykażą obecność trzeciego chromosomu 21, wówczas rodzice mają możliwość przerwania ciąży. Budzi to wiele kontrowersji. Najlepiej jednak zapobiegać wszelkim chorobom poprzez unikanie bliskiego pokrewieństwa partnerów, których podobne genotypy mogą spowodować spotkanie się dwóch recesywnych alleli odpowiedzialnych za chorobę i stosowanie się do porad lekarzy.
Historia odkrycia DNA
Pionierskie doświadczenia
Pierwszy raz zidentyfikowano DNA w roku 1869, w jądrze komórkowym. Jednak dopiero wiele lat później ludzie uzmysłowili sobie, że ten związek jest nośnikiem informacji o życiu. Wcześniej przypuszczano, że struktura materiału genetycznego musi mieć podobny poziom skomplikowania do białek przezeń określanych. Uważano, że jedynie białka mogą kodować białka.Prostota DNA zadziwiła biologów. Natura znów pokazała jak jest piękna i jednocześnie prosta. Kluczowe dla zrozumienia roli jaką odgrywa materiał genetyczny były trzy doświadczenia przeprowadzone przez wybitnych biologów. Oto one:
- W 1928r. F.Griffit pokazał, że materiał genetyczny może przenieść się z zabitej komórki do komórki żywej nie tracąc przy tym swych właściwości. Griffith używał różnych odmian bakterii dwoinki zapalenia płuc, którymi zakażał biedne doświadczalne myszki. Oznaczył on bakterie silnie chorobowe przez S, natomiast te nie wywołujące objawów chorobowych jako R. Wstrzyknął myszkom żywe bakterie R wraz z zabitymi chorobotwórczymi bakteriami S. I cóż się stało? Wystąpiły objawy chorobowe, a więc DNA zachowuje się jak zwykły związek chemiczny, gdyż materiał genetyczny zachowuje swe właściwości po zabiciu komórki.
- Następnie w 1944r. C. MacLeod, O. Averey i M.McCarty wyjaśnili charakter chemiczny czynnika przenoszącego właściwości chorobotwórcze z doświadczenia Griffith’a. Podzielili oni zabitą bakterię na węglowodany, białka, RNA, DNA, tłuszcze i dodali później każdą oddzieloną część do nie chorobotwórczych żywych bakterii S. Objawy chorobowe u myszki wystąpiły jedynie wtedy, gdy składnikiem chorobotwórczym był DNA. A więc poznano związek, który odpowiada za przenoszenie informacji.
- W kolejnym doświadczeniu przeprowadzonym w 1952 przez A. Hershey’a i M. Chase’a, wykazano, że jedynie DNA jest potrzebny do zakażenia komórki wirusem. Jak wiemy wirus składa się z kwasu dezyksorybonukleinowego (czasem z RNA) i płaszcza utworzonego z białka. Aby odróżnić owe białko od wirusa panowie ci sprytnie użyli radioaktywnych izotopów siarki (obecnej w dwóch aminokwasach) i fosforu, który wchodzi w skład kwasów nukleinowych, do oznakowania cząstki wirusa oboma izotopami. Następnie pozwolono wirusowi rosnąć na pożywce bogatej w oba izotopy przez wiele pokoleń. Wyizolowane wirusy dodano do bakterii żyjących na nie radioaktywnej pożywce. Zakażone bakterie posiadały tylko jeden z izotopów - fosfor z DNA! Był to niepodważalny dowód na rolę pełnioną przez ten związek w przekazywaniu informacji.
Łamanie kodu
Rozszyfrowanie struktury kwasu nastąpiło w latach 50-tych. Uzyskano zdjęcia rozpraszania promieni rentgenowskich przez DNA i zbudowano przestrzenny model jej cząstki. Za rozszyfrowanie struktury Wilkins, Crick i Watson otrzymali nagrodę Nobla. W latach 60-tych za pomocą wielu bardzo żmudnych doświadczeń poznano znaczenie wszystkich 64 trypletów. Dziś owe pionierskie doświadczenia zostały wielokrotnie potwierdzone, DNA to spirala życia, spirala dziedziczność
Mutacje
Naprawa uszkodzeń
Zapis informacji genetycznej, który to przekazywany jest z pokolenia na pokolenie nie jest stały i niezmienny. Czasem ulega on zmianom. Jak wiemy komórka stanowi ochronę dla DNA przed czynnikami zewnętrznymi. Pomimo tego faktu, ilość uszkodzeń w komórkowym DNA jest duża, w komórkach człowieka jest wytracanych dziennie około 5000 zasad azotowych, odłączających się od łańcucha cukrowo-fosforanowego. W tych samych komórkach 100 cytozyn dziennie traci grupy aminowe przekształcając się w uracyl. Ponadto komórka absorbuje promieniowanie UV czy rentgenowskie. Jednym słowem uszkodzenia mogą mieć wiele przyczyn. Zamiast utraty zasady azotowej może być to np. pęknięcie nici helisy. Niebezpieczeństwo uszkodzenia jest duże, zazwyczaj uniemożliwia ono transkrypcję i replikację DNA. Na szczęście istnieją systemy naprawcze w postaci enzymów przywracających cząstce stan, który istniał przed uszkodzeniem. Istnieje kilka systemów naprawczych. Najprostszy powoduje rozpoznanie przez enzym braku zasady azotowej i wprowadzeniu pojedynczego nacięcia od którego ów enzym wytrawia odcinek kwasu dezoksyrybonukleinowego zawierający uszkodzony nukleotyd. Kolejny enzym wzorując się na drugiej nici wypełnia lukę. Niektóre zmiany pozostają jednak nierozpoznane przez systemy naprawcze.
Nie naprawione- mutacja
Uszkodzenia, które zostają utrwalone w kolejnych pokoleniach, nazywamy mutacją. Mutację dzielimy na punktową, polegającą na zastąpieniu jednego nukleotydu innym, delecję, czyli utratę dłuższego dwuniciowego DNA, insercję, oznaczającą wstawienie obcego fragmentu DNA w dane miejsce, i inwersję polegającą na odwróceniu fragmentu chromosomu o 180 stopni. Skutki spowodowane np. przez mutację punktową mogą być różne. Może ona być przyczyną zamiany aminokwasu z łańcuchu polipeptydowego na inny, odpowiadający zwolnionemu kodonowi. Może zdarzyć się, że nowy kodon będzie miał takie samo znaczenie jak przed zajściem mutacji. Wtedy sekwencja aminokwasów nie zmieni się. A jeśli nowy kondon będzie oznaczał koniec translacji? Wówczas łańcuch polipeptydowy ulegnie skróceniu do miejsca położenia wadliwego kodonu.
Co powoduje mutację?
Mutacje możemy zaobserwować we wszystkich żyjących komórkach. Ich występowanie zwiększa się pod wpływem czynników tzw. mutagennych. Są to promieniowanie o wysokiej energii lub związki chemiczne niszczące heliks, lub modyfikujące zasady azotowe. Zwiększenie częstości pojawiania się uszkodzeń przy stałej wydolności aparatu naprawczego prowadzi do zwiększenia częstości mutacji. Mutacje powodują czasem powstanie nowotworu. Czynnikami mutagennymi są: kwas azotowy, iperyt, barwniki akrydynowe, bromouracyl, aminopuryna, czy też obecny w dymie papierosowym benzopiren.
Dokładność procesu
Ilość błędów popełnianych podczas syntezy kwasu dezyksorybonukleinowego przez aparat replikacyjny jest znikoma. Szacuje się, że błędny nukleotyd pojawia się na nowej nici raz na miliard spreparowanych nukleotydów z nicią macierzystą. Owa zaskakująca wierność procesu jest spowodowana poprzez wspaniałe mechanizmy korekty, które usuwają nieprawidłowości. U bakterii korekta ta jest dokonywana przez polimerazę, która wycina błędnie spreparowane nukleotydy umiejscowione za miejscem replikacji
INŻYNIERIA GENETYCZNA osiągnięcia i potencjalne zagrożenia
Pojęcie,,inżynieria genetyczna" ma bardzo krótką historię. Pojawiło się dopiero w połowie lat 70-tych, gdy po raz pierwszy stało się możliwe ukierunkowane przerabianie genów. Po to, by opisać działanie,,inżynierów genetyków" konieczne jest wprowadzenie kilku pojęć.
Materiałem genetycznym wszystkich organizmów jest kwas deoksyrybonukleinowy - DNA, w którym zapisana jest informacja o wszystkich białkach obecnych w danym organizmie. Zapis dotyczący jednego białka nazywany jest genem. Najprostsze bakterie mają około 500 genów, u człowieka jest ich około 100 tysięcy.
Odkrycia biologii molekularnej począwszy od lat 50-tych doprowadziły do tak dobrego poznania struktury DNA, że stało się możliwe klonowanie - uzyskiwanie pojedynczych genów w formie czystej. Nie brzmi to może jako ewenement, ale miało to olbrzymie znaczenie poznawcze, i niemniej istotne praktyczne.
U człowieka istnieje kilka tysięcy zaburzeń, zwanych chorobami genetycznymi, wynikającymi ze zmian w ludzkich genach. Zmiany te nazywamy mutacjami - powodują one brak produkcji danego białka lub produkcję białka defektywnego. Większość tych chorób można leczyć tylko objawowo, bo nie jest możliwe usunięcie pierwotnego defektu. Dla pewnej grupy chorób (hemofilia, zaburzenia związane z brakiem hormonu wzrostu, rozedma wynikająca z braku alfa-1-antytrypsyny) jedynym sposobem leczenia jest podawanie białka identycznego z obecnym w ludzkim organizmie. Jest ewidentne, że pozyskiwanie takich produktów jest wielkim problemem. Niektóre z nich (właśnie czynniki krzepliwości krwi) uzyskiwano dawniej z krwi ochotników - obecnie raczej się unika krwi jako materiału wyjściowego do preparatyki białek ze względu na zaistniałe przypadki zakażenia hemofilityków przyjmujących te produkty wirusem powodującym AIDS. Hormon wzrostu można było tylko izolować z ludzkich mózgów, co było poważnym problemem. Co więcej, ta metoda izolacji była odpowiedzialna za zakażenie szeregu osób pobierających hormon wzrostu zakaźnymi cząsteczkami obecnymi w tkance.
Inne białko np. stosowana w leczeniu bardzo częstej choroby - cukrzycy - insulina - mogło być izolowane ze zwierząt (trzustki bydlęce albo świńskie), ale nieznacznie różniło się od białka ludzkiego, co mogło dawać niepożądane efekty.
Inżynieria genetyczna rozwiązała te problemy przez umożliwienie klonowania genów kodujących pożądane białka. Są obecnie na świecie bakterie produkujące insulinę, produkujące czynniki krzepliwości krwi i hormon wzrostu, które można otrzymywać stosunkowo łatwo i w dużych ilościach, i które nie są zanieczyszczone czynnikami powodującymi ludzkie choroby. Istnieje też owca, w której mleku jest produkowana antytrypsyna.
Początkowe obiekcje - które nawet spowodowały roczne moratorium nad pewnymi badaniami w połowie lat 70-tych - i obawy wyprodukowania,,super-zjadliwej" bakterii tymi metodami przycichły już od dość dawna. Natomiast na półkach aptek pojawia się coraz więcej leków przyrządzanych technikami inżynierii genetycznej.
Oprócz białek-leków są też białka-szczepionki, głównie przeciwko chorobom wirusowym, z których najbardziej chyba znana jest szczepionka przeciwko wirusowemu zapaleniu wątroby typu B, będąca białkiem produkowanym ze sklonowanego w drożdżach genu tego wirusa.
Oprócz tego istnieją różne tzw. transgeniczne rośliny, o różnorakich walorach użytkowych i hodowlanych i wiele szczepów myszy, służących jako modele ludzkich chorób genetycznych, które powstały w wyniku zastosowania inżynierii genetycznej.
W XXI w. będzie też możliwe leczenie przyczyny choroby - przez podawanie pacjentom cierpiącym na choroby genetyczne,,zdrowych" genów, które umożliwią im produkcję brakujących białek. Tego typu metody terapeutyczne są obecnie w różnych stadiach badań klinicznych, podobnie jak metody leczenia raka, m. in. przez wprowadzanie genów, które są nieczynne w komórkach nowotworu.
Nie widzę żadnych zagrożeń dla ludzkości powodowanych przez te poczynania - chciałabym więc przejść do zdefiniowania innego znaczenia słowa klonowanie - i potencjalnych zagrożeń przez klonowanie zwierząt i człowieka.
Dotychczas opisywałam tylko klonowanie genów. Możliwe jest też klonowanie organizmów - to znaczy uzyskanie pewnej ilości genetycznie takich samych osobników. Można to uzyskać albo przez podział zarodka na pojedyncze komórki we wczesnych stadiach rozwoju (robi się to eksperymentalnie u myszy itp., natomiast u człowieka jednojajowe bliźnięta są wynikiem naturalnego rozdziału dwóch komórek zarodka od siebie po pierwszym podziale zapłodnionej komórki). Możliwy jest też inny typ klonowania - jak dotychczas uwieńczony tylko jeden raz sukcesem w przypadku ssaków - wzięcie jądra komórkowego (czyli informacji genetycznej) z jednej komórki dojrzałego organizmu i przeniesienia jej do nie zapłodnionej komórki jajowej. Jeśli z tego rozwinie się osobnik, będzie on genetycznie identyczny z osobnikiem, od którego pobrano komórkę. Tak powstała owca Dolly - i jak dotychczas żaden inny ssak, choć podobno dalsze doświadczenia nad krowami są w toku.
Jeśli coś takiego jest możliwe, istnieje pewne niebezpieczeństwo, że ktoś zechce klonować człowieka - już były doniesienia w prasie, że pewien fizyk, o niefortunnym nazwisku Seed, chce otworzyć klinikę aby umożliwić bezpłodnym parom posiadanie sklonowanego potomstwa.
To nie jest jeszcze możliwe ze względów technicznych - Dolly była jedynym udanym doświadczeniem z prawie 300 - to znaczy, że potrzeba było zdobyć 300 komórek jajowych, wprowadzić do nich jądra komórkowe i wprowadzić je do macic odpowiednio hormonalnie przygotowanych owieczek. Jest ewidentne, że nikt takich doświadczeń obecnie u człowieka nie przeprowadzi, ale problemy techniczne na ogół bywają w którymś momencie rozwiązywane. Nie powinna to być jedyna bariera przed klonowaniem człowieka.
Jeszcze jednym podnoszonym zagadnieniem jest sprawa naszych genów - informacji o nich i dostępu do tej informacji. Już teraz dla szeregu chorób występujących w rodzinach jest możliwie ustalenie, kto odziedziczył predysponujące do danej choroby geny. W przypadku niektórych chorób - np. nowotworów - daje to szansę na wczesne wykrycie i wyleczenie. W przypadku innych - dla których nie istnieją obecnie żadne metody leczenia - tak jak niektóre ciężkie choroby neurodegeneracyjne - nie jest jasne czy informacja o tym, czy się zachoruje jest pożądana - a na pewno nie każdy chce ją uzyskać.
W roku 2003 będą znane wszystkie ludzkie geny, i ilość możliwych do przeprowadzenia testów genetycznych bardzo się zwiększy. Istnieją obawy, że nastąpi dyskryminacja przez pracodawców czy firmy oferujące ubezpieczenia zdrowotne. Znane są już takie przypadki w USA, i w wielu krajach podejmowane są inicjatywy aby wprowadzić odpowiednie przepisy zabezpieczające przed tego typu zjawiskami.
Inżynieria genetyczna wniosła niesłychanie dużo do ratowania zdrowia i życia pacjentów, a także do profilaktyki zdrowotnej (szczepionki) i hodowli roślin użytkowych. Choć każda technologia może być wykorzystana niezgodnie z jej przeznaczeniem, do celów moralnie nagannych, to w moim głębokim przekonaniu rachunek zysków i strat w naszej cywilizacji jest pozytywny. Dalszy postęp badań może w istotny sposób pomóc cierpiącym i głodnym.