Prof dr hab. Janusz Stanisław Keller

INFORMACJA GENETYCZNA. OD GENOTYPU DO FENOTYPU (3)

            Powielanie substancji dziedzicznej. W czasie podziału mitotycznego komórki somatycznej dwie nici w każdej helisie ulegają miejscowemu rozejściu się (wiązania wodorowe między zasadami organicznymi ulegają rozerwaniu) i na wolnych fragmentach obu nici zostają stopniowo syntetyzowane fragmenty dwóch nowych, komplementarnych nici DNA, stanowiących dokładne kopie odpowiednich bliźniaczych nici pierwotnych. Proces ten przesuwa się wzdłuż chromosomu do momentu, aż całe nici pierwotne DNA zostaną odwzorowane. W procesie replikacji DNA biorą udział enzymy zwane polimerazami DNA. U bakterii E. coli zespół tych polimeraz składa się z 5 enzymów, u człowieka – z 16. Po replikacji chromosom składa się z dwóch tak zwanych chromatyd, z których każda jest zbudowana z podwójnej helisy DNA. W procesie podziału komórki chromatydy te są rozdzielane i przechodzą do dwóch komórek potomnych.

            Oba chromosomy z każdej pary (ojcowski i matczyny) oraz wszystkie pary chromosomów zawarte w danym jądrze komórkowym ulegają replikacji w tym samym czasie, wobec czego w wyniku podziałów mitotycznych każda komórka potomna zostaje wyposażona w identyczny zasób informacji genetycznej.

            Proces replikacji nie zachodzi samorzutnie ani chaotycznie, ale przebiega pod wpływem szeregu enzymów i specyficznych białek wewnątrzjądrowych, które przyczyniają się do dokładnego przekazywania informacji zawartej w substancji dziedzicznej, jaką jest DNA.

            Mutacje. W zapisie informacji genetycznej pojawiają się od czasu do czasu błędy, zwane mutacjami. Mają one charakter spontaniczny, losowy i zachodzą najczęściej na skutek błędów w parowaniu zasad. Są też mutacje indukowane, występujące pod wpływem czynników mutagennych. Mutacje mogą mieć charakter punktowy i dotyczyć pojedynczych genów, co polega na delecji, czyli wypadnięciu nukleotydu, albo też na addycji, czyli wstawieniu dodatkowego nukleotydu, jak też na inercji, czyli zamianie jednej zasady na inną. Skutkiem mutacji punktowej może być utrata funkcji syntetyzowanego peptydu, różnego rodzaju zmiana tej funkcji (od niezauważalnej do letalnej) lub też – może być brak jakiejkolwiek zmiany, gdy nie występuje zmiana aminokwasu. Mutacje mogą dotyczyć również struktury chromosomów albo ich odcinków i nazywane są aberracjami chromosomowymi. Mają one różny charakter; mogą polegać na ubytku fragmentu chromosomu, podwojeniu jakiegoś fragmentu, obróceniu go o 180 stopni lub też przemieszczeniu fragmentu między chromosomami homologicznymi. Trzeci rodzaj mutacji dotyczy zespołu chromosomów (genomów) i polega na braku pojedynczych chromosomów lub ich nadmiaru (triploidalność – 3n lub tetraploidalność – 4n). Mutacje genomowe powodują co najmniej ciężkie upośledzenia, a najczęściej są wręcz letalne.

            Konserwatyzm informacji genetycznej. Większość spontanicznych nieprawidłowości w replikacji DNA ulega naprawie, w wyniku której nie dochodzi w ogóle do mutacji. Najlepiej poznany jest mechanizm naprawczy polegający na wycinaniu źle zsyntetyzowanego odcinka DNA i na wypełnianiu tej luki przez wstawianie brakującego odcinka zsyntetyzowanego na matrycy drugiej nici DNA.

            W przybliżeniu przyjmuje się, że polimerazy DNA „mylą się” 1 raz na 100 000 nukleotydów. Nie można uważać, aby była to dokładność zadowalająca. Dzięki tak zwanej zdolności edytorskiej polimeraz wierność replikacji zwiększa się jednak około 100-krotnie. Ponadto w komórkach znajduje się jeszcze inny mechanizm naprawczy, tak zwany postreplikacyjny system naprawy błędnie sparowanych zasad (ang. MMR), dzięki któremu precyzja kopiowania wzrasta 1000-krotnie. Tak więc w praktyce pomyłki w powielaniu materiału genetycznego zdarzają się 1 raz na 10 miliardów. Stwierdzono ponadto, że białka minimalnie źle zsyntetyzowane w procesie translacji, podobnie jak białka obce, które wniknęły do komórki, są w niej natychmiast rozpoznawane i degradowane przez kilka wewnątrzkomórkowych systemów enzymatycznych, jak lizosomalne katepsyny czy cytosomalne ubikwityny. Wszystkie te systemy naprawcze składają się na duży konserwatyzm występujący w procesie przekazywania informacji genetycznej z komórki do komórki w czasie podziału mitotycznego. Niemniej jednak mutacje powinny być brane pod uwagę przez genetyków, ponieważ dynamika biosyntezy białek w organizmie jest ogromna, o czym świadczy fakt, że polimerazy DNA kopiują około 1000 nukleotydów w ciągu 1 sekundy.

Ekspresja genów jako drugi poziom informacji genetycznej

            Wielkość genomu. Wśród genów przekazujących informację genetyczną w orga­nizmie tak skomplikowanym, jak organizm człowieka (złożony z kilkuset bilionów bardzo zróżnicowanych komórek), w pojedynczych komórkach zaledwie 20-30% genów znajduje się w stanie aktywnym. Część tych genów koduje białka związane z podstawowymi własnościami każdej komórki, jak białka rybosomów, enzymy odpowiedzialne za metabolizm podstawowy czy białka budulcowe; w literaturze angielskiej ta część genów jest nazywana housekeeping genes. Druga część aktywnej puli genów koduje białka specyficzne jedynie dla określonego typu komórek, jak insulinę w komórkach β wysepek Langerhansa w trzustce czy globinę w erytroblastach. Pozostała część (70-80%) genów potencjalnie aktywnych zawartych w genomie pojedynczej komórki diploidalnej może nigdy nie podlegać pełnej ekspresji, czyli może nie brać udziału w biosyntezie łańcuchów peptydowych.

            Ekspresja genów. Czynniki wpływające na uaktywnianie się genów są bardzo różne i oddziałują bądź na strukturę chromatyny w jądrze komórkowym, bądź na proces transkrypcji RNA i jego zmiany potranskrypcyjne, bądź też na proces translacji i zmiany potranslacyjnepeptydów zsyntetyzowanych na rybosomach.

            Ekspresja genu może być pozytywna, gdy dany gen ulega aktywacji i zaczyna być transkrybowany lub gdy tempo zachodzącej transkrypcji zostaje zwiększone. Ekspresja ta może też być negatywna, gdy transkrypcja genu zostaje spowolniona lub kompletnie zablokowana. Gdy jakiś czynnik (efektor) hamuje funkcję regulatora negatywnego, działa jako regulator pozytywny.

            Podwójna helisa DNA nigdy nie występuje w formie autonomicznej, lecz jest silnie powiązana z białkami zasadowymi. Są one nazywane histonami i charakteryzują się dużą ilością dodatnio naładowanych łańcuchów bocznych, w których zasadniczą rolę odgrywa aminokwas lizyna i – mniejszą – arginina. Dzięki swoim własnościom histony mogą być łatwo modyfikowane potranslacyjnie, tzn. acylowane, metylowane, fosforylowanelub ADP-rybozylowane; dzięki temu posiadają one możliwość tworzenia wiązań wodorowych i w dużym stopniu decydują o dostępności DNA dla replikacji i transkrypcji. W plemnikach histony są zastępowane przez inne białka, a mianowicie – protaminy. DNA jest owinięty na rdzeniu utworzonym z histonów, tworząc chromatynę, z której zbudowane są chromosomy. Chromatyna występuje w powtarzających się jednostkach strukturalnych zwanych nukleosomami, które są połączone ze sobą elastycznymi „łącznikami”, także zbudowanymi z DNA. Dzięki takiej budowie i bardzo ścisłemu „upakowaniu” chromosomy człowieka zamiast rozciągać się w metafazie na długości ok. 260 cm, mają w rzeczywistości wymiar tylko 200 μm, czyli rzędu miliona razy mniejszy.

(c.d.n.)