Genom - to całokształt informacji dziedzicznej
Przypomnij sobie, że informacja o budowie, rozwoju i funkcjonowaniu organizmów zachowuje się w cząsteczkach DNA. Często ona też zachowuje się w postaci cytoplazmatycznych cząsteczek RNA i w postaci białek modyfikacyjnych połączonych z DNA. Jednak cząstka takiej informacji jest niezwykle mała. Większa część DNA w komórce upakowana jest w postaci kompleksu z białkami - chromosomów. Bakterie zwykle mają jeden nukleoid (koliście zamknięty DNA), a eukarioty - wiele.
Komórki zawierają też pozachromosomowy DNA. U bakterii są to plazmidy -nieduże cząsteczki DNA wywołujące patogenność lub odporność na antybiotyki. Plazmidy są bardzo różnorodne i z reguły dają tę lub inną przewagę w środowisku życia. Na przykad w przypadku obecności antybiotyku bakterie, które mają plazmidę zawierającą geny odporności, otrzymują przewagę w porównaniu z bakteriami, które są pozbawione takiej ochrony. Na szczęście dla bakterii (i niestety dla nas!) one mogą wymieniać się swymi plazmidami, rozpowszechniając geny odporności. Jeżeli jednak antybiotyk zabierzemy ze środowiska, w którym rosną bakterie (to znaczy, że odporne bakterie więcej nie będą posiadać przewagi), to u bakterii stopniowo zaczną zanikać te plazmidy.
Plazmidy były też wykryte u niektórych pierwotniaków: chlorelli, zawłotni i drożdży piekarskich. Korzystając z metod inżynierii genowej uczeni mogą wprowadzać plazmidy do komórek eukariotycznych specjalnie po to, żeby zmusić je syntezować białko lub RNA. Jednak u eukariotów w dużej ilości obecne są pozachromosomo-we DNA innego rodzaju - DNA organelli. Mitochondria i chloroplasty też zawierają cząsteczki DNA, kodujące część białek i RNA tych organelli (ryc. 27.1). Z DNA mitochondriów, chloroplastów i plazmid jest związana tak zwana dziedziczność cytoplazmatyczna, to znaczy taka, którą zapewniają struktury poza jądrem. Całokształt całej informacji dziedzicznej w postaci DNA zawartego w komórce organizmu nazywa się genomem1.
1 Przypomnijmy, że wiele wirusów posiada w genomie RNA. Oprócz tego u wielu wielokomórkowych organizmów całokształt DNA jest różny w różnych komórkach i tkankach, dlatego poprawniej będzie wykorzystywać definicję genomu jako całokształtu DNA w zygocie - komórce, która powstaje wskutek zlewania się komórek płciowych - gamet.
Ryc. 27.1. Pstre liście wielu roślin -to jaskrawy przykład cechy, o której decydują geny chloroplastu
W białej części liści są chloroplasty, u których wskutek mutacji w ich DNA jest zakłócona synteza zielonego barwnika chlorofilu. Te chloroplasty nie mogą dokonywać fotosyntezy, a człowiek, hodując takie rośliny w celach ozdobnych, pośrednio sprzyja rozpowszechnieniu tej mutacji..
Ilość genów w komórce nie zależy od złożoności organizmu
Ilość genów w genomie poszczególnych organizmów znacznie się różni. Zazwyczaj istnieje taka zasada: eukarioty mają więcej genów niż prokarioty, wielokomórkowe organizmy - więcej niż jednokomórkowe (ryc. 27.2). Na uwagę zasługują też pasożyty wewnątrzkomórkowe, które mają mniej genów niż ich wolno żyjący krewni. U wolno żyjących bakterii minimalny zestaw stanowi około 1500 genów, a u bakterii wewnątrzkomórkowych pasożytów (na przykład u mikoplazm, których różne gatunki wywołują u człowieka atypową anemię i schorzenia układu płciowego) - około 500 genów. U jednokomórkowych eukariotów minimalna ilość genów stanowi około 5000, a u wielokomórkowych - 13000. U roślin wyższych i ssaków - zwykle 25000 genów. Jednak ilość genów wewnątrz grup może znacznie się różnić. Na przykład genom muszki owocowej drozofili zawiera 13600 genów. A u mikroskopijnego obleńca Caenorhabditisa, który żyje w butwiejących roślinach - 18500. Rekordzistą pod względem ilości genów wśród zbadanych genomów zwierząt jest malutki skorupiak rozwielitka - 31000 genów. W tym ona znacznie wyprzedza człowieka, który ma 23000 genów. Jednak genom ryżu siewnego jest jeszcze większy - 40000 genów. Tłumaczy się to tym, że u rozwielitki i ryżu większość genów w genomie ma po kilka kopii. Wymiary genomu też nie zawsze są proporcjonalne do ilości genów. Drożdże piekarskie mają 5800 genów przy wymiarach genomu stanowiących 12,2 min par nukleotydów, a drożdże innego gatunku - 5000 genów, chociaż genom jest dłuższy - 14,1 min par nukleotydów. Ten paradoks tłumaczy się tym, że w genomie oprócz genów jest jeszcze DNA niekodujący.
Nie cały DNA eukariotów jest złożony z genów
Co zawiera genom? Pierwsza myśl, która wpada do głowy - geny. Rzeczywiście, geny - to obowiązkowy składnik genomów wszystkich żywych organizmów1. Jednak geny nie są rozmieszczone jeden za drugim w postaci ciągłego łańcucha - między nimi jest DNA międzygenowy. Ta część DNA nie koduje cząsteczki RNA i transkrypcja na
nich nie zachodzi1. Częstotliwość mutacji na tych odstępach jest bardzo wysoka, ponieważ mutacje na nich zwykle nie doprowadzają do zakłócenia pracy organizmu. Takie mutacje nie są szkodliwe i w odróżnieniu od mutacji w genach nie wydalają się, ponieważ niczego nie zmieniają. U bakterii takie odstępy międzygenowe są bardzo krótkie i składają się tylko z kilku nukleotydów. Ale gdy rozpatrzymy kolejność DNA człowieka, to ku swemu zdziwieniu stwierdzimy, że odstępy między genami mogą być utworzone tysiącami, dziesiątkami tysięcy i nawet setkami tysięcy par nukleotydów niekodującego DNA.
U człowieka tylko niewielka część DNA koduje białka
U człowieka DNA, który koduje RNA i białka, stanowi tylko 1,5% od całego DNA chromosomów. Obecność takiego wielkiego niekodującego genomu u eukariotów (szczególnie wielokomórkowych) długo była zagadką dla uczonych. Najpierw uważano, że on jest niepotrzebny i lekceważąco nazywano go „junk-DNA” (śmieciem). Jednak okazało się, że ten DNA nie jest aż tak niepotrzebny2. Rozpatrzmy więc, jakie kolejności są w genomie człowieka (ryc. 27.3).
Jak już ustaliliśmy, egzony kodujące RNA i białka stanowią 1,5% DNA. Na introny przypada około 26%. Jeszcze około 25% stanowi niekodujący międzygenowy materiał, który zawiera elementy regulatorowe oraz martwe, niefunkcjonujące geny, które kiedyś pracowały. Ponad 5% przedstawiono powtórzeniami różnego stopnia złożoności: od prostych (typu ...ACACACAC..., i tak setki razy) do bardziej złożonych.
Jednak największa część genomu, która pozostała (około 45%) - to tak zwany ruchomy DNA. Ten DNA jest zdolnym w ten czy inny sposób zmieniać swoje położenie w genomie i nawet namnażać się w nim, zwiększając ilość swoich kopii. Znaczna część tego DNA (więcej niż 8%) - to zabite wirusy, które kiedyś wbudowały się do genomu naszych przodków, lecz straciły swoje właściwości chorobotwórcze. Teraz one pasywnie wędrują z nami w czasie. Wielka część tego ruchliwego DNA stała się „nieruchoma”: otrzymała mutacje, które pozbawiły ją zdolności do „skoków” po genomie. Lecz kolejność nukleotydów świadczy o jego pochodzeniu od bardziej „dynamicznych” przodków. Ruchliwy DNA należy do tak zwanego „samolubnego” DNA.
On żyje w genomie własnym życiem, namnaża się, może nawet nieumyślnie naszkodzić. Wyobraź sobie, że fragment takiego „skokowego” DNA raptem wbudował się do egzonu genu kodującego białko. To praktycznie nieuchronnie doprowadzi do tego, że gen straci swoją funkcję.
Wiele „martwych” genów naszego genomu ma w sobie ślady tych „bombardowań”.
Co prawda komórka posiada systemy ochrony genomu przed takim „burzliwym”
DNA i próbuje go uśmierzyć. Komórka nawet wykorzystuje ten DNA do swoich celów. Zagadnienia związane z „samolubnym” DNA uczeni nadal aktywnie badają.
1 Ostatnie badania wskazują, że ona jednak odbywa się, lecz realizuje się w bardzo osobliwy sposób i nie wiadomo po co
2 Chociaż śmieci tam też jest dużo.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Wskutek badań komórki organizmu udało się wykryć tam tylko jeden chromosom i kilka plazmidów. Najbardziej prawdopodobny obiekt badań - to A człowiek В motyl cytrynek C robak Caenorhabditis D chlorella E bakteria czerwonki
2
Do dziedziczności cytoplazmatycznej NIE należy taki rodzaj dziedzicznego materiału, jak A DNA plazmid В DNA mitochondriów C DNA chloroplastów
D DNA amyloplastów E chromosomowy DNA eukariotów
3
Poprawny szereg rozmieszczenia organizmów według zwiększania się ilości genów w ich genomie jest następujący:
A mikoplazma - niedźwiedź - pełzak В prątek gruźlicy - drożdże piekarskie- skoczek C bakteria anginy - rozwielitka - muszka owocowa D człowiek - robak Caenorhabditis - chlorella E ryż - wiewiórka - bakteria mlekowa
4
Wybierz poprawne stwierdzenie:
A w genomie pasożytów jest więcej genów niż w genomie ich wolno żyjących krewnych
В w genomie eukariotów jest więcej genów niż w genomie jednokomórkowych
C ilość genów w genomie zmniejsza się przez ich kopiowanie D w genomie ryżu genów jest tyle samo, ile w genomie człowieka E w genomie człowieka genów jest więcej niż w genomie rozwielitki
5
Niebezpieczeństwo ruchliwego DNA polega na tym, że on A może rozerwać DNA В niszczy RNA C blokuje transkrypcję D rozrywa geny białek E wykorzystuje energię komórki
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Dlaczego kurs pobierania antybiotyków należy doprowadzać do końca, nawet gdy objawy znikają?
7
Dlaczego pstre rośliny są dość często rozpowszechnione w szklarniach i prawie nie ma ich w przyrodzie dzikiej?
8
Wymień właściwości organizmu, od których zależy ilość genów w genomie.
9
Jakie części genomu człowieka są najbardziej stabilne i najbardziej konserwatywne? Dlaczego?
10
Wjakich formach istnieje DNAw komórkach eukariotycznych i prokariotycznych organizmów? Co spowodowało różnicę?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Mitochondrialna miopatia spowodowana jest zakłóceniami w DNA mitochon-driów człowieka. Dlaczego choroba przekazuje się od chorej matki do dziecka i nie przekazuje się od chorego ojca?
12
Jak ruchomym genetycznym elementom udaje się „podróżować” genomem? Czy są one korzystne dla organizmu?
13
Jakie geny są w DNA chloroplastów? Dlaczego komórce wygodniej przechowywać je tam, a nie w chromosomach jądra?
Dowiedź się samodzielnie i opowiedz innym
14
Międzygenowe odcinki w genomie człowieka mogą być wykorzystane do identyfikacji osoby. Jakie części genomu wykorzystuje się do tego i jak?
15
Wielkość genomu, jak okazało się, nie jest związana z jego złożonością i znacznie różni się nawet u organizmów spokrewnionych. Uczeni nazywają to paradoksem wielkości S. Jak współczesna nauka tłumaczy ten paradoks?
Dodatek VIII
Jakie genomy są odszyfrowane?
Odszyfrować genom organizmu - oznacza dowiedzieć się o kolejności nukleotydów w jego kwasach nukleinowych. Właśnie ta kolejność decyduje, jak będzie zbudowany określony organizm.
Pierwszym rozszyfrowanym (uczeni mówią „zsekwencjonowanym”1) genomem był genom bakteriofaga MS2. Bakteriofagi - to wirusy bakterii. One zostały rozszyfrowane nie dlatego, że są niezwykle ważne. Po prostu w 1976 roku, kiedy rozszyfrowano genom bakteriofaga MS2, był bardzo dostępny jego kwas nukleinowy - RNA. I ten RNA okazał się niezwykle krótki: tylko 3569 nukleotydów i 4 geny do syntezy czterech białek.
Większość organizmów zachowuje swoją informację dziedziczną w postaci cząsteczek DNA, która jest bardziej stabilna. Następnym krokiem miałoby być rozszyfrowanie jej sekwencji. I tu znów bakteriofag wszedł do historii: grupa naukowa Frederika Sengera rozszyfrowała kolejność nukleotydów w DNA bakteriofaga cpX174. W nim okazało się 5386 par nukleotydów i 11 genów.
Wymiary rozszyfrowanych genomów rosły, jak i „apetyt” badaczy. Do 1995 roku udało się rozszyfrować genom pierwszego komórkowego organizmu. Nim okazała się bakteria pałeczka grypy (,Hemophilus influenzae), której genom posiadał około 1,8mln par nukleotydów i 1789 genów.
Pierwszym organizmem eukariotycznym z zsekwencjonowanym genomem stały się drożdże piekarskie. Na radość światu naukowemu przejście od prokariotów z jednym chromosomem do eukariotów z wielką ilością chromosomów (a znaczy i cząsteczek DNA) odbyło się łatwo i bez problemów. Dla eukariotów genom - to materiał dziedziczny haploidalnego zestawu chromosomów. Już w 1996 roku kolejność wszystkich 12 min par nukleotydów 16 chromosomów genomu drożdży była opublikowana w naukowym czasopiśmie Science. Okazało się, że do życia jednego z najprostszych jądrowych organizmów potrzeba tylko 6692 geny!
A jak sprawa ma się z bardziej złożonymi - wielokomórkowymi organizmami? Pierwszym zwierzęciem z rozszyfrowanym genomem okazał się robak obły Caenorhabditis o długości 1 mm. W każdej z jego tysięcy komórek jest aż 103 min par nukleotydów i 20,4 tysięcy genów. Pierwszą „rozszyfrowaną” rośliną stał się rzodkiewnik Thala (uczeni nazywają go Arabidopsis). Ta roślina (rosnąca również na Ukrainie) ma w genomie 5 chromosomów z 136mln par nukleotydów, które kodują 27,7 tysięcy genów.
Takie sukcesy natchnęły na zsekwencjonowanie genomu najważniejszego, zdaniaem człowieka, organizmu - Człowieka rozumnego! Projekt „Genom człowieka” rozpoczęto w roku 1990, a pełny genom opublikowano w 2003 roku. Jednak nieduże odcinki DNA (około 1%) i do dziś nie udało się odszyfrować z powodu osobliwości ich organizacji i metod zsekwencjonowania. Genom człowieka zawiera 3,1mlrd par nukleotydów i około 23 tysięcy genów. U kobiet, co prawda, jest o 57mln par nukleotydów mniej (około 2%) i o 71 gen z powodu nieobecności Y-chromosomu. Dla wielu naukowców dziwne było to, że człowiek ma prawie tyle genów, ile ma jednomilimetrowy robak Caenorhabditisa, chociaż par nukleotydów - 30 razy więcej!
Na dzisiaj rekordzistą wśród rozszyfrowanych genomów jest genom jęczmienia, który zawiera 5,3mlrd par nukleotydów. Istnieją też większe genomy, lecz one jeszcze nie są zsekwen-cjonowane.
Na koniec 2016 roku rozszyfrowano kolejności nukleotydowe genomów około 140 wielokomórkowych zwierząt i 150 pierwotniaków, 45 roślin, 200 grzybów i kilku dziesiątek tysięcy gatunków bakterii i archeonów (archebakterii).
Żeby genom był rozszyfrowany, organizm powinien być ważny dla nauki, życia codziennego lub przemysłu. Na przykład pałeczka okrężnicy, muszka owocowa, mysz lub szympans są organizmami modelowymi, czyli klasycznymi biologicznymi obiektami, które wykorzystuje się do poznania różnorodnych procesów i prawidłowości. Aby lepiej rozumieć, co z nimi odbywa się podczas eksperymentów, trzeba wiedzieć, jakie geny one mają i jak te geny pracują. Oprócz tego rozszyfrowanie genomów wirusa grypy, bakterii gruźlicy i błonicy, zarodźca malarii jest ważne, żeby stwarzać leki przeciwko chorobom, które one powodują. Genomy pszenicy, ziemniaków
i krowy są ważne dla rolnictwa i hodowli bydła: znając te genomy, można polepszyć wydajność tych gatunków lub lepiej ochronić je przed chorobami. Oto dlaczego genomy wszystkich wymienionych organizmów są już zsekwencjonowane.
Im mniejszy jest genom organizmu, tym łatwiejsze i tańsze jest jego rozszyfrowanie. Niewielkie genomy bakterii prędko i tanio poddają się zsekwencjonowaniu. Właśnie dlatego genomy wielu gatunków bakterii obecnie są już rozszyfrowane.
Wraz z wprowadzeniem nowych, automatyzowanych i bardziej oszczędnych metod cena zsekwencjonowania stale się obniżała. Jeżeli na początku lat dwutysięcznych cena rozszyfrowania 1000 nukleotydów wynosiła około 5000 dolarów USA, to teraz ona wynosi około jednego centa. To znaczy, że w ciągu 15 lat cena spadła pół miliona razy! Dzisiaj zsekwencjonowanie ludzkiego genomu wyniesie tylko 1000 dolarów USA, chociaż cały projekt „Genom człowieka” kosztował 18mln dolarów! Być może wkrótce za cenę nowego smartfonu można będzie otrzymać całą kolejność nukleotydową swego genomu!
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow