Prof dr hab. Janusz Stanisław Keller *

INFORMACJA GENETYCZNA. OD GENOTYPU DO FENOTYPU (5)

Współdziałanie genów jako trzeci poziom informacji genetycznej

            W diploidalnym (2n) jądrze przeciętnej komórki somatycznej ssaka znajduje się przeciętnie około 16 miliardów deoksyrybonukleotydów. Każdy chromosom z kolei składa się zawsze z dwóch łańcuchów DNA, dlatego wielkość genomu określa się w praktyce ilością par zasad (pz) organicznych tworzących związane ze sobą „bliźniacze” deoksy­rybo­nukleotydy. Tak więc wielkość genomu ssaka (2n) wynosi w przybliżeniu 7,8 miliarda pz.

            Genomy różnych gatunków ssaków mają wielkości bardzo zbliżone. Wynika to ze zbliżonej ilości chromosomów, która na przykład u świni wynosi 38, u myszy – 40, u człowieka – 46, u owcy – 54, u bydła – 60, a u konia – 64.

            Skoro w procesie translacji 1 aminokwas kodowany jest przez 3 nukleotydy mRNA, to około 30 tys. peptydów funkcjonujących w organizmie człowieka, a zbudowanych średnio z 330 aminokwasów każdy, wymaga 30 milionów par zasad tworzących DNA. Z tego wynika, że jedynie niewielka część genomu (kilka procent) koduje białka. Odrębna część genów wykazujących aktywność zakodowaną genetycznie związana jest z syntezą rozmaitych kwasów rybonukleinowych (mRNA i tRNA) oraz innych czynników regulujących syntezę białek funkcjonujących w organizmie człowieka. Pozostała część genów, prawdopodobnie największa, pełni jakieś funkcje regulacyjne dotychczas w pełni nierozpoznane.

            Żadna określona, widoczna i mierzalna (fenotypowa) cecha w organizmie, ani biochemiczna, ani fizjologiczna, ani anatomiczna, nie jest wynikiem działania pojedynczego genu. Nawet tak prosta – wydawałoby się – cecha, jak powstawanie brązowoczarnego barwnika melaniny z aminokwasu tyrozyny, wymaga całego ciągu reakcji, z których każda jest katalizowana przez inny enzym, co musi być kodowane w sumie przez szereg genów. Uszkodzenie tylko jednego z grupy genów kodujących te enzymy, na przykład zmutowanie genu C kodującego tyrozynazę, przerywa cały omawiany ciąg reakcji i taki zmutowany osobnik jest albinosem.

            Przykład ten ilustruje podstawowe prawo obowiązujące w przekazywaniu informacji genetycznej, mianowicie prawo nieredukowalnej złożoności.

            Innym, najprostszym przykładem działania tego prawa, jest hemoglobina, która składa się z dwóch globin α oraz dwóch globin β; jej tworzenie wymaga bezwzględnie udziału dwóch genów struktury, a więc uszkodzenie jednego z tych genów uniemożliwia syntezę hemoglobiny.

            Z kolei bardziej złożonym przykładem może tu być układ odpornościowy, który u człowieka musi być zdolny do wytwarzania przeciwciał skierowanych przeciwko milionowi różnych ciał obcych (antygenów). Podstawowe elementy tego bardzo złożonego układu składają się co najmniej z trzech zestawów cząsteczek: receptorów immunoglobulinowych (na tak zwanych komórkach β), receptorów antygenowych na limfocytach T oraz antygenów kompleksu zgodności tkankowej (major histocompatibility complex – MHC). Brak jednego tylko elementu w omawianym powyżej układzie uniemożliwia funkcjonowanie tej skomplikowanej, a tak ważnej funkcjonalnie dla organizmu całości.

            Odrębnym systemem współdziałania ze sobą genów są serie tak zwanych alleli. Są to geny zajmujące analogiczne miejsca (loci) w parach chromosomów homolo132 gicznych. Geny zajmujące analogiczne locus w dwóch sprzężonych ze sobą chromosomach mogą występować w formie kilku form, zwanych allelami. W układzie homozygotycznym, gdy oba analogiczne loci w dwóch bliźniaczych chromosomach są „zajęte” przez identyczne geny, powodują one kodowanie na rybosomach takich samych peptydów i wynik ich funkcjonowania w komórce jest po prostu zdwojony ilościowo, nie powodując na ogół zmiany fenotypowej. Gdy w analogicznych loci znajdują się dwa allele różniące się między sobą (układ heterozygotyczny), to:

• jeden z kodowanych przez nie peptydów (recesywny) może nie pełnić w komórce żadnej funkcji i wtedy występuje tak zwana pełna dominacja genu kodującego peptyd funkcjonujący (ilość produktu wytwarzanego pod kontrolą tego allelu jest wystarczająca do przeprowadzenia reakcji warunkującej daną cechę fenotypową) albo też
• oba zsyntetyzowane peptydy mogą powodować w efekcie swego działania wystąpienie jakiejś formy pośredniej w zakresie cechy fenotypowej, za którą są odpowiedzialne, i wtedy występuje tak zwana dominacja niepełna.

            Cechy fenotypowe mogą być umownie podzielone na jakościowe i ilościowe. Cechy jakościowe charakteryzują się zmiennością skokową, gdy poszczególne fenotypy mogą być łatwo zaliczone do odrębnych klas (na przykład kolor oczu lub włosów). Nie oznacza to, że dana cecha jest determinowana pojedynczym genem, gdyż każda cecha fenotypowa jest wynikiem przebiegu wielu procesów kodowanych przez różne geny, ale zespół tych procesów musi mieć charakter złożoności nieredukowalnej (patrz wyżej), czyli współdziałać ze sobą na zasadzie wszystko albo nic. Cechy ilościowe z kolei wykazują zmienność ciągłą, gdy różnice między poszczególnymi osobnikami w wymiarze danej cechy charakteryzują się wartościami niewielkimi (na przykład masa ciała, jego wysokość, tempo metabolizmu podstawowego, obwód klatki piersiowej czy długość stopy). Cechy te kształtują się w wyniku addytywnego (sumującego się) działania poszczególnych genów, a nie – ich funkcjonowania na zasadzie nieredukowalnej złożoności.