Znajdź zawartość

Poziomy transfer genów (HGT), czyli przechodzenie genów między organizmami, występuje często wśród prokariontów (stąd m.in. bierze się lekooporność bakterii). Ponieważ jeszcze niedawno wydawało się, że w przypadku zwierząt czy roślin zdarza się to naprawdę rzadko, stąd zdziwienie naukowców badających korniki Hypothenemus hampei. Okazało się bowiem, że w jakiś sposób pozyskały od bakterii zamieszkujących ich przewód pokarmowy gen białka umożliwiającego rozkładanie cukrów z owoców kawy. Analizując geny owada, amerykańsko-kolumbijski zespół natrafił na jeden szczególny - HhMAN1. Szczególny, ponieważ zwykle nie występuje u owadów i odpowiada za ekspresję mannanazy (enzymu umożliwiającego rozkład mannanów, składników drewna, a także roślin jednorocznych oraz nasion, w tym kawowca). Jako że HhMAN1 występuje często u bakterii, akademicy zaczęli przypuszczać, że kornik "pożyczył" sobie gen właśnie od nich. Ich hipoteza jest tym bardziej prawdopodobna, że HhMAN1 otaczają transpozony, a więc sekwencje DNA, które mogą się przemieszczać na inną pozycję w genomie tej samej komórki lub do innego organizmu. Dysponując mannanazą, korniki mogą składać jaja w owocach kawy, a wylęgającym się larwom nie brakuje pożywienia. Rekombinowana mannanaza hydrolizuje podstawowy polisacharyd zapasowy jagód kawy galaktomannan. HhMAN1 występuje u wielu populacji kornika, co sugeruje, że HGT miało miejsce przed radiacją ewolucyjną i ekspansją owadów z zachodniej Afryki do Azji i Ameryki Południowej.

Cechy naszego wyglądu - nasz fenotyp - zależą jedynie od posiadanych przez nas genów, tak od zawsze twierdziły podręczniki genetyki. Mimo że wątpliwości co do tej wyłączności pojawiały się od dziesięcioleci, dopiero niedawno zyskały wsparcie dzięki klonowaniu zwierząt. Ku zdziwieniu bowiem naukowców, sklonowane osobniki różniły się od swoich „wzorców" posiadając na przykład odmienne umaszczenie. Dzięki naukowcom z Yale udało się zajrzeć w zaskakujący mechanizm, który wspiera geny w ich działaniu. Wskazówką były dziwne efekty u much pozbawionych proteiny Hsp-90. Podlegały one losowym i zaskakującym mutacjom, na przykład w miejsce oczu wyrastały im nogi. Hsp-90 ma uaktywniać inne białka do odpowiedzi na stres, ale stało się oczywiste, że pełni także inną rolę - chroni genom przed przypadkowymi i szkodliwymi zmianami. Początkowo przypuszczano, że po prostu Hsp-90 hamuje aktywność transpozonów (zwanych wędrującymi genami), czyli sekwencji DNA, które potrafią przemieszczać się w obrębie genomu. Mechanizm okazał się nieco bardziej skomplikowany: białko Hsp-90 blokuje zarówno powstawania, jak i ekspresję nowych wariantów genów, ale czyni to we współpracy z jeszcze jedną cząsteczką oraz tzw. Piwi-interacting RNA (piRNA). Współpraca Hsp-90 oraz piRNA wyjaśnia także zdolność niektórych prostych komórek (jak fibroblasty) do przekształcania się w komórki macierzyste. Może także stanowić klucz do wielu zagadek związanych z powstawaniem nowotworów i szkodliwych mutacji. Jak podsumowuje Haifan Lin, główny autor studium, musimy się jeszcze wiele nauczyć o sposobach, w jakich jesteśmy kształtowani przez nasze geny.

Dzięki nowej technice badań genetycznych naukowcy z angielskiego Instytutu Sangera opracowali niezwykle precyzyjną mapę genomu bakterii Salmonella typhi, mikroorganizmu odpowiedzialnego za liczne przypadki zatruć pokarmowych. Zebrane informacje pomogą w odnalezieniu potencjalnych celów terapii zakażeń tym patogenem. Opracowaną metodę nazwano TraDIS (Transposon Directed Insertion site Sequencing, co można przetłumaczyć jako "sekwencjonowanie miejsc wstawienia transpozonów". Wspomniane transpozony, zwane także skaczącymi genami, to sekwencje DNA zdolne do replikacji niezależnej od genomu i przemieszczania się w jego obrębie. Zgodnie z założeniami nowej techniki, transpozony wstawione do genomu bakterii po pewnym czasie zaczynają replikować się i wstawiać własne kopie w róznych miejscach bakteryjnego chromosomu. Proces ten trwa tak długo, dopóki skaczący gen nie zostanie umieszczony w obrębie jakiegoś genu ważnego dla przeżycia mikroorganizmu. Po pewnym czasie, zgodnie z naturalną tendencją skaczących genów do replikowania się oraz z zasadami doboru naturalnego, w hodowli pozostaną wyłącznie te bakterie, u których transpozony namnożyły się w znacznej liczbie, lecz nie naruszyły struktury żadnego ważnego genu. Oznacza to, że sekwencje DNA wolne od transpozonów u wszystkich badanych komórek bakteryjnych są kluczowe dla przetrwania mikroorganizmu. Badaczom udało się łącznie uzyskać aż 1,1 miliona unikalnych wariantów genetycznych S. typhi. Dzięki zastosowaniu ultranowoczesnej metody sekwencjonowania DNA ustalono następnie, które geny są konieczne dla przeżycia bakterii. Jak się okazało, fragmentów takich jest zaledwie 356; pozostałe 4162 geny są wyłącznie dodatkami, przydatnymi tylko w określonych sytuacjach. Każda z 356 sekwencji DNA zidentyfikowanych przez badaczy z Instytutu Sangera jest niczym innym, jak potencjalnym celem dla terapii, dającym niemal stuprocentową pewność zabicia bakterii w razie zaburzenia jej funkcji. Teraz pozostaje więc "tylko" ustalenie, jak należy wykorzystać te słabe punkty.

Choć jest niezbędny do przeżycia komórki, ludzki genom wcale nie jest tak stabilny i niezmienny, jak mogłoby się wydawać. Od pewnego czasu wiadomo, że niektóre jego fragmenty posiadają wybitną zdolność do zmiany pozycji, lecz wyniki badań nad intensywnością tego procesu mogą zaskakiwać. Zaledwie około 2 procent genomu człowieka, czyli ogółu całości jego informacji genetycznej, to geny, czyli fragmenty niezbędne dla syntezy cząsteczek wytwarzanych w komórkach. Pozostałe fragmenty to tajemnicza mieszanina sekwencji, których pochodzenie i rola nie zostały dokładnie zdefiniowane. Najczęściej występującymi w tej grupie elementami są tzw. retrotranspozony Alu, zdolne do wstawiania kolejnych kopii samych siebie oraz otaczających je fragmentów do genomu określonej komórki. Sekwencje Alu, nazwane tak ze względu na zdolność bakteryjnego enzymu AluI do ich przecięcia, zostały odkryte kilkadziesiąt lat temu. Stanowią aż 10% genomu człowieka, a do tego ich liczba wciąż rośnie. Ze względu na fakt, że mogą one losowo wbudować się w dowolnym miejscu cząsteczki DNA, mogą stanowić poważne zagrożenie dla ludzkiego zdrowia. Jak tłumaczy badający je naukowiec, dr Scott Devine ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Emory, te elementy stanowią istotne zagrożenie dla naszej informacji genetycznej, ponieważ mogą uszkodzić geny, kiedy do nich wskakują. Prowadzą w ten sposób do zmiany cech genetycznych albo chorób, takich jak nowotwory. Ze względu na niebezpieczeństwo związane z występowaniem charakterystycznych sekwencji, badacze postanowili zmierzyć ich "ruchliwość". Aby tego dokonać, podzielili występujące w typowym genomie retrotranspozony Alu na rodziny, a następnie badali każdą z nich w warunkach laboratoryjnych. Klucz do rozróżnienia poszczególnych grup był prosty: badacze wyszli z założenia, że im dawniej dana sekwencja została wbudowana, tym więcej przeszła od tego czasu mutacji, a im więcej przeszła mutacji, tym większe jest prawdopodobieństwo, że utraciła zdolność do wykonywania kolejnych "skoków". Jak tłumaczy dr Devine, chcieliśmy sprawdzić, jaki czynnik decyduje, czy dany element Alu będzie ruchomy. W ten sposób moglibyśmy przewidywać, które kopie Alu mają większą zdolność do niszczenia naszej informacji genetycznej. Informacja ta będzie bardzo istotna, ponieważ wkraczamy w epokę spersonalizowanej genomiki, która pozwala nam na przewidywanie naszego zdrowia w przyszłości. Aby zbadać właściwości poszczególnych rodzin, przedstawiciel każdej z nich został umieszczony w niedużej kolistej cząsteczce DNA zwanej plazmidem. Zaraz obok niego ulokowano, dzięki metodom inżynierii genetycznej, gen kodujący białko zapewniające komórkom oporność na jedną z toksyn. Przygotowane w ten sposób cząsteczki wbudowano do komórek hodowanych w laboratorium. Zgodnie z założeniami eksperymentu, "przeniesienie się" fragmentu Alu z plazmidu do genomu komórki powinno spowodować, że przesunie się wraz z nim gen oporności na truciznę. Powinno to oznaczać, że im bardziej aktywny jest dany retrotranspozon, tym więcej komórek przeżyje ekspozycję na szkodliwy związek. Z wykonanych obliczeń wynika, że w ludzkim genomie istnieje około 37000 aktywnych elementów Alu, z czego aż 10000 to fragmenty bardzo aktywne, które mogą zostać w każdej chwili przeniesione do dowolnego innego miejsca w cząsteczce DNA. Oznacza to, że każdy z nich może w dowolnym momencie zmienić swoją pozycję i uszkodzić istotny dla komórki gen, prowadząc do katastrofalnych konsekwencji. Zdolność sekwencji Alu do zmiany własnej pozycji w genomie jest zależna od innego retrotranspozonu, zwanego L1. Jak tłumaczy dr Devine, uzależnienie ich "ruchliwości" od fragmentów L1 sprawia, że Alu to tak naprawdę pasożyty pasożytów. Badania pokazują, że oba elementy są wspólnie "przepisywane", bardzo podobnie do genów, na cząsteczki RNA (proces ten nazywamy transkrypcją), lecz zawarte w nich unikalne sekwencje sprawiają, że mogą zostać "przepisane" z powrotem na DNA dzięki zjawisku odwrotnej transkrypcji. Powstała w ten sposób niewielka cząsteczka DNA może włączyć się do genomu w losowym miejscu, powodując cały szereg konsekwencji. Obecnie nie wiadomo dokładnie, jak powstały tajemnicze struktury, ani jakie czynniki decydują o ich aktywności. Zrozumienie tego procesu może być jednak bardzo istotne dla zwiększenia naszej wiedzy o ludzkiej informacji genetycznej. Jak tłumaczą badacze, średnio co dwudzieste dziecko rodzi się z nowym elementem Alu w swoim genomie, a konsekwencje tego zjawiska mogą mieć kolosalny wpływ na życie i zdrowie ludzi. Badania dr. Devine'a przeprowadzono we współpracy z Instytutem Biologii Rozwoju wchodzącym w skład Instytutu Maxa Plancka. Wyniki studium publikuje czasopismo Genome Research.