Nauka na UMCS

Panie Profesorze, dziś obchodzimy szczególny dzień hołdujący wielkocząsteczkowej substancji chemicznej, najbardziej znaczącemu nośnikowi informacji genetycznej. Wszyscy składamy się z DNA, jednak nie wszyscy wiemy, co przed nami kryje. Z czego składa się materiał genetyczny?

Składamy się z DNA to może za dużo powiedziane, ale na pewno wszyscy mamy DNA. Pod względem budowy (składu chemicznego), materiał genetyczny komórek, czyli ta „boska cząsteczka”, nie jest niczym specjalnym. Kwas dezoksyrobonukleinowy (DNA) jest związkiem organicznym, polimerem zbudowanym z powtarzających się podjednostek (monomerów), które nazywamy nukleotydami. W skład każdej takiej podjednostki wchodzi cząsteczka cukru (deoksyryboza), jedna z czterech zasad azotowych (adenina, guanina, cytozyna lub tymina – to od nich pochodzi nazwa całego nukleotydu, którą identyfikujemy w zapisie kolejności nukleotydów w polimerze DNA (czyli odpowiednio A, G, C, T) oraz grupy fosforanowej.

Znacznie bardziej skomplikowane jest to, co dzieje się w materiale genetycznym na poziomie struktury tego związku chemicznego i sposobu zapisywania w nim informacji. Polimer DNA składa się z dwóch nici polinukloetydowych, które precyzyjnie do siebie „pasują” (czyli używając języka biologii  - są względem siebie komplementarne), taka podwójna nić DNA jest w odpowiedni sposób skręcona (w języku biologii mówimy o podwójnej helisie DNA), tworzy kolejne struktury przestrzenne (np. różnego rodzaju pętle), itd. Z całą pewnością opisanie struktury podwójnej helisy DNA, którego dokonali Watson i Crick (a tę rocznicę świętujemy właśnie teraz w kwietniu jako Światowy Dzień DNA), było z punktu widzenia eksperymentu naukowego szalenie trudne, podobnie jak kolejne odkrycia opisujące to, w jaki sposób w tym związku chemicznym zakodowana jest informacja o budowie komórek, jak materiał genetyczny się powiela itd.

Całkowita długość DNA przekracza kilka milionów kilometrów. Gdyby spisać go w formie tekstowej mógłby zająć ponad 400 wydań encyklopedii. Jak w organizmie ludzkim może mieścić się tak złożona struktura?

Nie wiem do końca jaką całkowitą długość DNA ma Pan na myśli, ale rzeczywiście gdybyśmy rozwinęli podwójną helisę DNA, to taka pojedyncza cząsteczka może mieć całkiem spore rozmiary, oczywiście w zestawieniu z wielkością komórki i jądra komórkowego, w którym się znajduje w przypadku komórek eukariotycznych czyli np. takich jak nasze, ludzkie. Długość całkowitego DNA komórek człowieka jest mierzona w metrach. Pojedyncze nieupakowane cząsteczki DNA w naszym genomie (tzw. chromosomy) mają długość rzędu centymetrów. Odpowiedź na pytanie jak tej długości polimer mieści się w pojedynczej komórce, pojawiła się już we wcześniejszych zdaniach: DNA występuję w komórkach w postaci skondensowanej (tj. bardzo upakowanej), między innymi dlatego, że ma taką, a nie inną strukturę, która pozwala mu się skręcać i dodatkowo DNA oddziałuje z różnymi białkami, które pozwalają mu się upakować się w określony sposób. Dzięki temu liniowa cząsteczka DNA, która ma długość rzędu centymetrów, może zostać upakowana do struktur, jakie mają rozmiary rzędu nanometrów.

Mówi się, że znamy ok. 2 % naszego DNA, pozostałe 98 % nie koduje białek. Dlaczego? Czy współczesna nauka w ciągu najbliższych lat lub dekad będzie w stanie odpowiedzieć na pytanie, za co odpowiada tajemnicza większość DNA?

To jest nie do końca precyzyjne sformułowanie, że znamy tylko 2% naszego DNA. Znamy już od dawna pełny zapis naszej informacji genetycznej – czyli sekwencję (kolejność) nukleotydów w naszym DNA. Rzeczywiście wiemy, że tylko niewielka część tej informacji koduje białka, czyli cząsteczki efektorowe, pełniące w naszych komórkach określone funkcje, przeważa zaś tzw. DNA niekodujące białek. Jednak pewnością, ani w przypadku komórek ludzkich, ani innych, w których niekodujące DNA występuje (ta zawartość niekodującego DNA jest u różnych organizmów bardzo zmienna), nie jest ono zbędne i nie stanowi wyłącznie ewolucyjnego „nadmiarowego bagażu”. Niekodujące DNA jest często znacznie trudniejsze do odczytania niż to, które niesie informacje nt. jakiego białka, choćby ze względu na swoją strukturę (są tam liczne powtórzenia, ciągi takich samych nukleotydów itp.), a to sprawia, że trudniej się do niego „dobrać” i tym samym zrozumieć (pewnie z tego powodu jest ono postrzegane jako „tajemnicze”). Na temat niekodującego DNA wiemy coraz więcej i na szczęście zrozumieliśmy, że tam są ważne informacje, które decydują o tym, jak komórka powinna funkcjonować. Szczególnie warto podkreślić, że znajdują się tam m.in. sekwencje, które regulują działanie genów kodujących białka, znamy przykłady zmian (tzw. polimorfizmów) w niekodującym DNA, które są związane z dysfunkcją różnych procesów w komórce lub decydujące o zmianie podatności organizmu na różne schorzenia. Trudno jednoznacznie odpowiedzieć, kiedy w pełni zrozumienie znaczenie tej części naszych genomów, na pewno naukowcy bardzo intensywnie starają się zgłębić ten obszar wiedzy, a to w zestawieniu z rozwojem technik badawczych dobrze rokuje w perspektywie poznania tego zagadnienia

Zmiany genetyczne są dziedziczne, dziedziczymy po rodzicach tzw. „mutacje”. Co może obejmować taka mutacja? Kiedy możemy mówić o mutacjach nabytych?

Rzeczywiście z definicji, którą stosuje się w genetyce, mutacją określamy dziedziczną (czyli przekazywaną do komórek potomnych) zmianę w DNA. Aby odziedziczyć mutację po rodzicach, taka zmiana w DNA musi występować we wszystkich komórkach ciała, w tym komórkach rozrodczych – wtedy jest przekazywana i w pewnym sensie utrwalana w kolejnych pokoleniach.

Mutacje mogą obejmować zarówno niewielkie tzw. zmiany punktowe dotyczące pojedynczych nukleotydów (np. zamiana jednego nukleotydu na inny, jego wypadniecie lub wstawienie w polimerze DNA), jak i zmiany dotyczące liczby czy struktury całych chromosomów (a więc rearanżacje polegające np. na wypadaniu lub przemieszczeniu w inne miejsce genomu dużego fragmentu DNA, które może obejmować wiele genów, duplikacji całych chromosomów itp.). Mutacje w DNA klasyfikujemy na różne sposoby m.in. uwzględniając sposób czy czas, w jakim powstają. Mutacje nabyte z kolei powstają w trakcie życia organizmu np. wskutek jego ekspozycji na jakiś szkodliwy dla DNA czynnik środowiskowy. Są one też określane jako mutacje somatyczne, mogące zmieniać funkcjonowanie komórki (czyli to, co w genetyce określamy mianem fenotypu), prowadząc np. do powstania określonej choroby, ale zazwyczaj nie są przekazywane dalej kolejnym pokoleniom.

Trzeba też pamiętać, że nie wszystkie mutacje w DNA (w tym te dziedziczone) są zawsze niekorzystne lub szkodliwe: niektóre z nich np. wspomniane mutacje punktowe ze względu na sposób zapisu w DNA informacji o białkach nie wpływają na jego funkcjonowanie. Mutacje stanowią też mechanizm ewolucji – niektóre korzystne zmiany w materiale genetycznym są utrwalane bo dają komórkom przewagę w środowisku ich życia.

Powstaje sporo publikacji na temat gatunków żyjących kilkadziesiąt milionów lat temu. Jak dzięki fragmentom zachowanego DNA można poznać biologię wymarłych organizmów?

Tak jak powiedziałem na początku DNA to cząsteczka chemiczna, która w określonych warunkach może przetrwać w środowisku całkiem długi czas. Kopalnego DNA (bo taki termin stosuje się w odniesieniu do materiału genetycznego wymarłych organizmów) mamy zazwyczaj bardzo mało i oczywiście w trakcie takiego długiego „leżakowania” w środowisku ulega on uszkodzeniom, np. fragmentacji, niemniej jednak to, co się zachowuje daje nam szansę na wgląd w to jak mogły funkcjonować organizmy, które żyły bardzo dawno temu. Kluczem do identyfikacji i poznania takich organizmów jest przede wszystkim możliwość powielania materiału genetycznego, którą możemy przeprowadzić w próbówce (czyli znowu stosując terminologię biologiczną - w układzie in vitro).

W latach 80-tych ubiegłego wielu opracowano technikę molekularną zwaną łańcuchową reakcją polimerazy (PCR), która naśladując proces powielania DNA, jaki zachodzi w komórkach pozwala łatwo zwiększyć ilość materiału genetycznego np. takiego którego mamy jedynie śladowe ilości. Taki powielony materiał genetyczny możemy następnie badać dalej np. ustalając kolejność nukleotydów w łańcuchu DNA – taki proces nazywamy sekwencjonowaniem DNA. Dysponując sekwencją kopalnego DNA, możemy porównać ją z milionami sekwencji DNA, które obecnie zgromadziliśmy w bazach danych i w ten sposób ustalić, co może ona kodować. Identyfikując informacje zapisane w kopalnym DNA, możemy sobie wyobrazić, jakie procesy biologiczne mogły zachodzić w komórkach wymarłych organizmów przez analogię do mechanizmów, które znamy u organizmów żyjących współcześnie. Stosując takie podejście genetyczne w połączeniu z danymi z innych obszarów paleobiologii możemy rekonstruować procesy biologiczne i fizjologię organizmów wymarłych.

Niektóre warianty genów mogą wpływać niekorzystnie na nasze zdrowie. Jaka jest przyczyna takiego zjawiska? Czy można temu zapobiec?

Bezpośrednią przyczyną niekorzystnego wpływu pewnych wariantów genów na zdrowie człowieka jest to, że kodują one zmienione białka, które nie mogą działać prawidłowo, a to z kolei zaburza kolejne procesy prowadząc do określonego defektu w komórce (pamiętajmy, że poprawne funkcjonowanie komórek jest oparte na szalenie złożonej sieci powiązań i interakcji, jakie zachodzą m.in. pomiędzy białkami, białkami i DNA, itd.). To w jakim stopniu ten defekt będzie widoczny na poziomie komórki będzie dodatkowo zależało od tego, w jakiej konfiguracji alleli odziedziczyliśmy określony wariant genetyczny od naszych rodziców.

Zapobieganie temu zjawisku to bardzo trudny temat. Od lat prowadzone są badania mające na celu opracowanie skutecznych terapii genowych - czyli takiego sposobu leczenia, który polega na naprawie defektu określonego genu np. przez dostarczenie do komórek jego funkcjonalnej kopii. Wiele z takich protokołów terapii genowej już z powodzeniem funkcjonuje na świecie szczególne w odniesieniu do tzw. schorzeń uwarunkowanych jednogenowo (w tym miejscu warto podkreślić, że za pomysłodawcę terapii genowej uważa się prof. Wacława Szybalskiego związanego z naszym Uniwersytetem i Katedrą Genetyki i Mikrobiologii). Ale to jest przykład możliwości naprawy defektu, który już się zdarzył i już go widzimy. Natomiast jeśli mówimy o „zapobieganiu” skutkom defektów genetycznych to musielibyśmy je naprawiać na poziomie komórek rozrodczych - tak by po zdiagnozowaniu nosicielstwa uszkodzonego allelu u rodziców móc go wyeliminować/naprawić, zanim zostanie przekazany potomstwu. To jest znacznie trudniejsze, a dodatkowo wkraczamy w bardzo trudny obszar zagadnień natury bioetycznej. Natomiast starając się żyć zdrowo, możemy minimalizować ryzyko powstawania w naszym DNA nowych mutacji – bez wątpienia w tym obszarze zapobiegania mamy znacznie większe pole manewru.

Świadoma profilaktyka to klucz do leczenia „szytego na miarę”. Jakie odpowiedzi może przynieść nam wykonanie badania genetycznego? Czy może wpłynąć na zmniejszenie ryzyka zachorowania na choroby cywilizacyjne?

Badania genetyczne stają się coraz bardziej popularne i coraz bardziej dostępne. Wynika to przede wszystkim z rozwoju technologii sekwencjonowania DNA (czyli ustalania kolejności nukleotydów) i redukcji kosztów tego procesu. Rozwój technologii sprawia, że badania genetyczne stają się także coraz bardziej czułe i dokładne. Pozwalają na określenie predyspozycji do wystąpienia pewnych chorób. Na chwilę obecną znamy tysiące mutacji i setki wariantów genów, które są powiązane z określonymi schorzeniami np. onkologicznymi (rakiem piersi, jelita grubego itp.). Badania genetyczne osób z tzw. grup ryzyka, czyli np. takich, u których krewnych takie schorzenia występują lub np. różnego rodzaju nieinwazyjne badania prenatalne (które wykrywają mutacje w DNA dziecka, krążącym we krwi matki) powinny być ważnym elementem profilaktyki. Z kolei w przypadku osób, u których już zdiagnozowano określone schorzenie, identyfikacja mutacji może być ważnym czynnikiem predykcyjnym np. w doborze skutecznej terapii. Tego typu badania, podkreślam, zlecane i nadzorowane przez lekarzy są bez wątpienia bardzo cenną zdobyczą nauki w walce z chorobami.

Pamiętajmy jednak ciągle o ograniczeniach badań genetycznych, jakie są  związane ze stopniem naszego zrozumienia złożonych procesów biologicznych zachodzących w komórkach. Zmierzam do tego, że badania genetyczne bardzo dobrze spisują się jako element diagnostyki np. chorób rzadkich oraz uwarunkowanych defektem jednego genu. Niestety, podłoże wielu chorób cywilizacyjnych, jak choćby cukrzycy, nie jest efektem mutacji pojedynczego genu, lecz sumą różnego rodzaju zmian, które zaburzają działanie skomplikowanej maszynerii komórkowej. Na to dodatkowo nakłada się wpływ środowiska czy naszego mikrobiomu (to jest też bardzo ciekawy aspekt związany z chorobami człowieka) oraz wielu innych czynników i tu badania genetyczne nie są już tak skuteczne i pewne. Z tych samych powodów byłbym już bardzo ostrożny (żeby nie powiedzieć wręcz sceptyczny), jeśli chodzi o badania genetyczne wykonywane pod kątem doboru odpowiedniej diety czy kosmetyków (w Internecie można znaleźć nawet oferty takich badań pod kątem talentu). Pamiętajmy, że tego typu cechy osobnicze to często bardzo subtelna wypadkowa działania nie tylko wielu genów.

Genetyka odgrywa kluczową rolę w walce z pandemią COVID-19. Jak wiedza nt. cząsteczek DNA, mRNA wpłynęła na odkrycie szczepionki przeciwko wirusowi SARS-CoV-2?

Właściwie odpowiedź zawarta jest już w Pana pytaniu: wiedza dotycząca kwasów nukleinowych miała tu absolutnie kluczowe znaczenie. Wystarczy przytoczyć kilka informacji: od daty potwierdzenia przez władze Chin, że zachorowania powoduje nowy wirus z grupy koronawirusów. W ciągu pięciu dni dysponowaliśmy już pełną sekwencją genomu nowego koronawirusa. To pozwoliło uruchomić całą kaskadę zdarzeń, które doprowadziły do szybkiego opracowania skutecznych szczepionek. Mogliśmy zaprojektować sekwencję syntetyzowanego sztucznie mRNA kodującego główny antygen wirusa, jaki podawano w preparatach szczepionek i co warto podkreślić, był nieporównywalnie bardziej bezpieczny niż tradycyjne szczepionki przeciw wielu chorobom zawierające np. wirusy osłabione lub inaktywowane.

Oczywiście trzeba pamiętać, że zarówno sam pomysł dotyczący idei szczepionki zawierającej materiał genetyczny nie był kompletnie nowy – szczepionki genetyczne były dostępne już dużo wcześniej. Podobnie koronawirus, który spowodował pandemię, też nie był pierwszym znanym wirusem tego typu: te wszystkie składowe sprawiły, że tak szybko można było opracować szczepionki. Ale w przypadku pandemii wiedza związana DNA to nie tylko szczepionka: pamiętajmy, że testy genetyczne wdrożone do monitorowania rozprzestrzeniania się wirusa, oparte były o wspomnianą wcześniej reakcję PCR (odpowiednio zmodyfikowaną tak, by była skuteczna w detekcji wirusa, którego materiałem genetycznym jest RNA). Szybka identyfikacja kolejnych wariantów koronawirusa to także zasługa czułych i dopracowanych technologii tzw. wysokoprzepustowego sekwencjonowania DNA. Nasza wiedza o DNA w walce z pandemią koronawirusa było bezcenna.

Jakie badania naukowe związane z DNA są lub były prowadzone na naszym Uniwersytecie?

W Instytucie Nauk Biologicznych naszego Uniwersytetu od lat prowadzone są bardzo różnorodne badania związane z DNA. W Katedrze Genetyki i Mikrobiologii, którą reprezentuję, wykonujemy badania związane z sekwencjonowaniem genów i całych genomów (głównie mikroorganizmów oraz ich wirusów, czyli bakteriofagów), wykorzystując narzędzia genetyczne badamy mikrobiomy (czyli skład mikroorganizmów) różnych środowisk, analizując DNA opisujemy gatunki mikroorganizmów (taksonomia molekularna), badamy funkcje pojedynczych genów (czyli staramy się dowiedzieć, za co konkretny gen odpowiada w komórce). W naszym warsztacie badawczym rutynowo wykorzystujemy technologię rekombinowanego DNA (klonowanie DNA, produkcję rekombinowanych białek), techniki sekwencjonowania DNA czy analizy profilu ekspresji genów (tu z kolei badanym tzw. mRNA).

Naszym modelem badawczym są głównie mikroorganizmy. Ale braliśmy też udział w projektach, których celem było m.in. opracowanie eksperymentalnej terapii genowej dla komórek ludzkich, szczepionki dla zwierząt zawierającej rekombinowane białko jako antygen czy badania polimorfizmu genetycznego człowieka związanego z występowaniem określonych chorób. Naszą wiedzę na temat DNA przekazujemy również studentom: prowadzimy m.in. zajęcia z genetyki, chemii kwasów nukleinowych, inżynierii genetycznej czy diagnostyki molekularnej.

W jaki sposób odkrycie DNA, według Pana profesora, zrewolucjonizowało naukę i postrzeganie organizmu człowieka?

Z pewnością wszystkie odkrycia związane z DNA (mam tu na myśli nie tylko opisanie jego struktury) diametralnie zmieniły nauki biologiczne, medyczne oraz szereg pokrewnych i była to niewątpliwie zmiana na lepsze. Odkrycia te dały naukowcom zupełnie nowe możliwości zarówno poznawcze, jak i takie, które mają charakter aplikacyjny. Zmieniło się na pewno nie tylko postrzeganie organizmu człowieka, ale wszystkich organizmów i całego środowiska, w jakim żyjemy. Analizy DNA wkraczają w bardzo różne obszary naszego życia i bardzo dobrze, bo skoro DNA jest tak powszechne, to nie możemy ignorować jego obecności, ale starać się wykorzystać wiedzę na jego temat, żeby poznać to co nas otacza i zrozumieć „jak to działa” poprzez opisanie zjawisk na poziomie molekularnym.

Bardzo dziękuję za rozmowę.

Fot. dr hab. Andrzej Mazur, prof. UMCS, Katedra Genetyki i Mikrobiologii, źródło: strona UMCS