Atom i materia. Bit i cyfrowa informacja. Gen i dziedziczność – te trzy główne idee nauki, które odcisnęły piętno na historii XX w., wylicza w prologu do swojej najnowszej książki Gen. Ukryta historia amerykański naukowiec Siddhartha Mukherjee. Zwraca uwagę, że atom, bit i gen to niepodzielne jednostki, części większej całości. Z abstrakcyjnych pojęć wniknęły głęboko w dyskurs społeczny, zmieniając na zawsze sposób postrzegania świata. Z tych trzech pojęć dla biologów oczywiście najciekawszy jest gen.
CRISPR – pokonać chorobę Huntingtona
W czerwcu tego roku pojawiła się w mediach na całym świecie sensacyjna wiadomość: „metoda CRISPR leczy chorobę Huntingtona u myszy”. Na pewno tego właśnie dnia mocniej zabiły serca milionów ludzi cierpiących na wszelkiego rodzaju choroby genetyczne: mukowiscydozę, anemię sierpowatą czy hemofilię. Metoda CRISPR została opracowana w 2012 r. i od tego czasu mocno rozpala wyobraźnię naukowców, którzy od razu dojrzeli w niej potencjał do manipulowania genomem człowieka. Pionierskie badania na myszach rozbudziły nadzieję, choć droga do skutecznych i dostępnych dla ludzi terapii jest jeszcze długa.
CRISPR to obecny u niektórych bakterii zestaw białek pełniących funkcję prymitywnego układu odpornościowego chroniącego przed wirusami. Kiedy wirus atakuje bakterię po raz pierwszy, zestaw białek CRISPR wycina fragment jego DNA i umieszcza go w genomie bakterii. Co ważne, ta integracja do genomu bakterii odbywa się w ściśle określonym miejscu, nie ma mowy o przypadkowej lokalizacji. W ten sposób powstaje w genomie bakterii coś na kształt naszej pamięci immunologicznej, dzięki czemu w przypadku kolejnej infekcji wirusowej bakteria jest w stanie rozpoznać intruza i z nim walczyć. System ten od razu zainteresował naukowców zajmujących się modyfikowaniem DNA w komórkach zwierzęcych. Do tej pory brakowało metody, która pozwalałaby na ingerencję w genomie z wręcz chirurgiczną dokładnością. W środowisku naukowym spekuluje się więc, że Emmanuelle Charpentier i Jennifer A. Doudna prawdopodobnie w perspektywie kilku lat za swoje badania nad metodą CRISPR zostaną uhonorowane Nagrodą Nobla.
Szereg chorób genetycznych spowodowanych jest niewielką zmianą w obrębie jednego genu, czyli mutacją, która prowadzi do katastrofalnych skutków dla całego organizmu. Efektem takiej właśnie mutacji może być choroba Huntingtona. Jest ona niezwykle podstępna, gdyż jej objawy ujawniają się dopiero w wieku 35–50 lat, przez co może zostać nieświadomie przekazana potomstwu. Początkowe objawy, takie jak lekkie drżenie rąk czy zmiany nastroju, są często bagatelizowane i chory nie konsultuje ich z lekarzem. Ale kiedy stan się zaostrza, choroba praktycznie uniemożliwia normalne funkcjonowanie. Szczególnie uciążliwe są zaburzenia motoryczne kończyn, które powodują, że cały chory jakby „tańczy”. Łacińska nazwa choroby Huntingtona – chorea chronica hereditaria progressiva, pochodzi od greckiego słowa choreia, które oznacza taniec. Do tego dochodzą zaburzenia intelektualne, psychiatryczne i problemy z mową.
Przyczyną choroby jest mutacja w genie IT15 położonym na chromosomie 4, kodującym huntingtynę. Powoduje ona, że białko to, mimo iż normalnie jest już jednym z największych w komórkach człowieka, staje się jeszcze większe i odkłada się w neuronach, powodując ich śmierć, a co za tym idzie, opisane wcześniej zaburzenia. Przed wykorzystaniem metody CRISPR nie znano żadnej skutecznej terapii. Edycja genów posłużyła do usunięcia z DNA komórek mózgowych mysiego modelu choroby Huntingtona, nadmiarowych powtórzeń nukleotydów, które odpowiadają za wydłużenie huntingtyny. Rezultaty eksperymentów za pomocą metody CRISPR były zaskakujące nawet dla samych prowadzących je naukowców z Uniwersytetu Emory w Atlancie. Po kilku tygodniach zaobserwowano zmniejszoną ilość złogów białka huntingtyny w komórkach nerwowych leczonych myszy, jak również poprawę ich funkcji motorycznych. To bardzo obiecujące badania, dające wielką nadzieję dla wielu chorych, którzy poddawani są obecnie jedynie doraźnemu leczeniu objawowemu.
W poszukiwaniu mechanizmu dziedziczenia
Biologia molekularna przeszła długą i trudną drogę od pierwszych obserwacji dziedziczenia cech aż do opracowania metod pozwalających na edycję genomów, z których skorzystali naukowcy z Uniwersytetu Emory. Kiedy w II poł. XIX w. rozkwitały chemia, fizyka i matematyka, biologia była zapomnianą dziedziną nauki. Koncentrowała się głównie na żmudnej systematyce i opisie różnych gatunków. Jej oblicze zmieniły pasja i cierpliwość dwóch naukowców: Karola Darwina i Grzegorza Mendla. Kiedy Darwin ukończył już podróż na HMS Beagle, podczas której, dzięki obserwacji różnych gatunków zięb, opracował podstawy teorii ewolucji, skromny mnich z Brna, niedoszły nauczyciel nauk przyrodniczych, który dwa razy oblał egzamin z biologii, rozpoczynał właśnie doświadczenia na grochu.
Prace obydwu naukowców tylko pozornie wydają się od siebie oddalone. Co mają wspólnego obserwacje zmian kształtu dziobów u zięb z pofałdowaniem ziaren grochu czy też kolorem jego kwiatów? Otóż wszystkie te cechy, jak wiemy dzisiaj, są dziedziczone z pokolenia na pokolenie. Mendel pracował cierpliwie i systematycznie w przyklasztornym ogrodzie. Historycy doliczyli się, że wyhodował 28 tys. roślin, które dały 40 tys. kwiatów, oraz wyłuskał aż 400 tys. ziaren. Wyniki obserwacji skrzętnie notował ołówkiem w notatnikach. Analiza takiej ilości danych bez komputerów była na pewno nie lada wyzwaniem. Tworzył najróżniejsze krzyżówki i analizował powstałe rośliny przez ponad osiem lat.
Zauważył, że niektóre cechy grochu są dominujące, czyli silniejsze, np. wysoki wzrost rośliny. Wysoki groch skrzyżowany z niskim zawsze dawał tylko wysokie potomstwo. A pewne cechy ustępują innym, czyli są recesywne, np. roślina o pomarszczonych nasionach skrzyżowana z rośliną o gładkich nasionach zawsze dawała potomstwo o idealnie okrągłych nasionach. Cechy recesywne ujawniały się dopiero w kolejnym pokoleniu. Mendel uważał, że każda z tych cech dziedziczona jest osobno. Tak właśnie odkrył „cząstki dziedziczności”, które mogą występować w dwóch formach, dzisiaj nazywanych allelami. Zdefiniował podstawowe cechy genu, nie nadając mu jednak jeszcze tej nazwy.
Mendel swoimi obserwacjami podzielił się z innymi naukowcami na wiosnę 1865 r., wygłaszając dwa wykłady dla lokalnych biologów, botaników i rolników. Następnie opublikował artykuł na łamach „Posiedzeń Brneńskiego Towarzystwa Nauk Przyrodniczych”, mało znanego pisma czytanego przez wąskie grono czeskich hodowców roślin. I tak jego przełomowe prace pozostały praktycznie niezauważone przez kolejnych 40 lat. Do 1900 r. trzech naukowców niezależnie dostrzegło te same zależności i każdy liczył na palmę pierwszeństwa. Na szczęście nie doszło do zatarcia pierwotnego odkrycia i obserwacje te przeszły do historii genetyki jako prawa Mendla.
Sam termin „gen” został ukuty dopiero na początku XX w. przez duńskiego botanika Wilhelma Johannsena. Sformułował on też dwa inne kluczowe dla genetyki terminy: „genotyp” i „fenotyp”. Genotyp to zespół dziedziczonych cech zapisany w genomie. Natomiast fenotyp to cechy organizmu, które są obserwowalne, takie jak kolor oczu, długość ogona czy kształt płetwy. Genotyp i wpływ środowiska wspólnie określają fenotyp organizmu.
W I poł. XX w. uczeni w USA i Europie pracowali nad umiejscowieniem genów w komórkach i zrozumieniem ich biochemicznej natury. Dosyć szybko zorientowali się, że informacja genetyczna zlokalizowana jest w jądrze komórkowym – strukturze wyspecjalizowanej i odseparowanej od reszty komórki. Niemiecki embriolog Theodor Boveri, prowadząc badania nad jeżowcami, zlokalizował geny na chromosomach, które określał jako „nitkowatą substancję”. Ale nadal nie było wiadomo, jak geny są ułożone na chromosomach. Prace Boveriego stały się inspiracją dla amerykańskiego genetyka Thomasa Morgana, który podszedł do zagadnienia z zaangażowaniem i cierpliwością godną czeskiego mnicha.
Morgan nie pracował jednak na grochu, jako organizm modelowy wybrał muszki owocowe – Drosophila melanogaster. Dokładnie te, które niekontrolowanie mnożą się na przejrzałych owocach w naszych spiżarniach. Laboratorium Morgana znajdowało się na drugim piętrze Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku i przez studentów zostało ochrzczone jako „musza komnata”. Wszędzie znajdowały się butelki wypełnione muszkami, a w powietrzu unosił się silny zapach fermentujących owoców. Za pomocą czynników chemicznych, fizycznych lub promieniowania Morgan i jego współpracownicy tworzyli setki mutantów o różniących się skrzydłach czy kolorze oczu, a potem poddawali je krzyżowaniu i obserwowali, jak przekazywane są poszczególne cechy. W ten sposób, podobnie jak Mendel, zebrali setki stron notatek i obliczeń. Mendel swoje „jednostki dziedziczenia” widział jako odrębne byty, natomiast Morgan powiązał je ze sobą. Pokazał, że niektóre cechy dziedziczą się razem z innymi, co znaczy, że odpowiednie geny zlokalizowane są blisko siebie na chromosomach. Tym samym Morgan stał się ojcem chromosomowej teorii dziedziczenia.
Święty Graal biochemikówNaukowcy wiedzieli coraz więcej na temat mechanizmów dziedziczenia, ale cały czas nie znali chemicznej natury genu. Już na początku XX w. było wiadomo, że chromosomy zbudowane są z białek i kwasów nukleinowych. Kiedy w Europie szalała II wojna światowa, Oswald Avery razem ze współpracownikami udowodnili, że to właśnie kwasy nukleinowe, a konkretnie: DNA, są odpowiedzialne za przekazywanie genów. Zaobserwował „materialną naturę genów”. Dla środowiska naukowego było to zaskakujące odkrycie, ponieważ DNA było uważane za chemicznie nudne, a słynny niemiecki badacz Max Delbrück ochrzcił je wręcz mianem „głupiej cząsteczki”. Ale z prac Avery’ego wynikało jednoznacznie, że to właśnie DNA buduje geny i jest niezwykle stabilne. Można je zamrozić i rozmrozić albo wytrącić z roztworu za pomocą alkoholu w postaci białej nitkowatej substancji, która owija się wokół szklanej pipety. DNA momentalnie z „głupiej cząsteczki” stało się świętym Graalem biochemików. Pod koniec lat 40. XX w. rozpoczął się wyścig naukowców, by odkryć strukturę DNA. Do gry wkroczyło czterech brytyjskich naukowców: Maurice Wilkins, James Watson, Francis Crick i Rosalind Franklin, konkurując z doświadczonym Linusem Paulingiem z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, który wcześniej odkrył strukturę białek. Wilkins postanowił poznać strukturę DNA za pomocą technik biofizycznych: krystalizacji i dyfrakcji rentgenowskiej. Franklin pracowała w londyńskim laboratorium Wilkinsa i optymalizowała proces pozyskiwania kryształów DNA tak, żeby dawały jak najlepsze obrazy na kliszy rentgenowskiej. Była to żmudna praca, w trudnych warunkach i narażeniu na ciągłe promieniowanie. Ale Franklin była pasjonatką i zawziętą kobietą w świecie nauki zdominowanym przez mężczyzn. Kiedy oni szli w sobotni wieczór do pubu, ona wywoływała kolejne klisze. I właśnie jedna z takich klisz trafiła w ręce Watsona i Cricka, którzy na jej podstawie dokończyli budowanie modelu cząsteczki DNA w swoim laboratorium w Cambridge. Świat obiegło zdjęcie, na którym Crick i Watson dumnie prezentują się na tle modelu podwójnej helisy DNA przemianowanej na „cząsteczkę życia”. Szkielet zbudowany jest z grup cukrowych i fosforanów, a we wnętrzu na zasadzie „klucza do zamka” łączą się ze sobą zasady azotowe: adenina zawsze z tyminą, a cytozyna zawsze z guaniną. W kwietniu 1953 r. na łamach „Nature” ukazały się trzy artykuły opisujące strukturę DNA, a niespełna 10 lat później Nagrodą Nobla uhonorowano Watsona, Cricka i Wilkinsa. Na liście wyróżnionych zabrakło Rosalind Franklin, która zmarła cztery lata wcześniej w wyniku choroby nowotworowej wywołanej przez promieniowanie rentgenowskie. Od momentu odkrycia struktury DNA biologia molekularna zaczęła się rozwijać w oszałamiającym tempie….
