Co się kryje we wnętrzu naszych komórek?

Patrząc w lustro, każdy z nas może zauważyć swoje charakterystyczne cechy wyglądu, takie jak kolor oczu, włosów czy kształt nosa. Dzięki tym indywidualnym cechom, różnimy się od siebie. Indywidualna może być także nasza podatność na niektóre choroby, takie jak choroby serca czy nowotwory. Czym jest to spowodowane? Odpowiedź na to pytanie znajduje się we wnętrzu 30 bilionów komórek, które budują organizm człowieka.

Czym jest materiał genetyczny?

DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) jest substancją chemiczną. To właśnie ta cząsteczka jest podstawową jednostką zapisu informacji genetycznej w komórkach. Zbudowany jest z mniejszych cząsteczek zwanych nukleotydami. Każdy nukleotyd składa się z jednej spośród czterech różnych zasad azotowych, zapisywanych skrótowo literami A, C, T lub G. Każda z nich dotyczy innej zasady azotowej i są to odpowiednio: A- Adenina, T- Tymina, C- Cytozyna, G- Guanina. Dodatkowo w skład nukleotydu wchodzi także cząsteczka deoksyrybozy oraz reszta kwasu fosforowego.

Nukleotydy tworzą ciąg liter, który składa się na nić DNA. Kwas deoksyrybonukleinowy ma postać dwóch, połączonych ze sobą nici, które są dopasowane do siebie na podstawie tzw. zasady komplementarności. Oznacza to, że adenina łączy się jedynie z tyminą, a cytozyna z guaniną (Rysunek 1). Dzięki takiemu połączeniu, struktura DNA przybiera trójwymiarową formę. Obie połączone ze sobą nici zawijają się, tworząc charakterystyczną podwójną helisę DNA.

Rysununek 1. Podwójna helisa DNA, każda z nici składa się z ułożonych kolejno jednej z czterech zasad azotowych: adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny.

Gen – podstawowa jednostka dziedziczenia.

Ciąg nukleotydów nie jest ułożony w nici DNA przypadkowo. Odpowiednia kolejność liter (przykładowo: AATTCGCTAGCC) może mieć konkretne znaczenie dla organizmu. Określony fragment DNA – może tworzyć gen, czyli podstawową jednostkę dziedziczenia. To właśnie geny decydują o naszych cechach takich jak kolor oczu czy wzrost.

W skład genu wchodzą dwie podstawowe jednostki strukturalne: eksony oraz introny. Ekson jest ciągiem nukleotydów warunkujących prawidłowe ułożenie aminokwasów (czyli cząsteczek, z których zbudowane są białka). Sekwencje eksonowe przeplatane są sekwencjami intronowymi.

Introny w przeciwieństwie do eksonów nie zawierają informacji o budowie aminokwasów, jednak nie oznacza to, że są one bezużyteczne. Mogą być niejednokrotnie ważniejsze od samych eksonów, gdyż biorą udział w regulacji procesu ekspresji genu, czyli decydowaniu o ilości i szybkości powstawania białka.

Ile genów posiada człowiek?

Człowiek posiada łącznie około 21,5 tys. genów, które potrafią znacznie różnić się długością. Jeśli uwzględnimy sekwencję intronowe, to okaże się, że najdłuższy ludzki gen koduje białko dystrofinę. Zawiera on około 2,5 mln par zasad, podczas gdy średniej długości ludzki gen zawiera ich tylko 10 do 15 tys. Są to imponujące liczby, jednak gen dystrofiny w większości zbudowany jest z sekwencji intronowych. Genem zawierającym najwięcej sekwencji eksonowych (czyli zapisu ciągów aminokwasów w białku) jest gen odpowiadający za białko titinę.

Kopiowanie materiału genetycznego.

Dzieląca się komórka podwaja ilość swojego materiału genetycznego. Ogromne ilości nukleotydów wchodzących w skład pojedynczego genu nie zawsze są kopiowane z należytą precyzją. Wyobraźmy sobie prostą linię składająca się z 1 mln liter ATCG. W naszych komórkach za utworzenie nowej nici DNA odpowiedzialne są specjalne enzymy zwane polimerazami. W procesie replikacji na matrycy jednej nici DNA powstaje druga, do niej komplementarna.

Polimeraza wędruje więc po naszej przykładowej nici złożonej z 1 mln par zasad. Jej działanie jest wysoce efektywne, ale niestety nie bezbłędne. Nieprawidłowe dopasowanie pojawia się raz na 1000 do 100 000 tys. przepisywanych na nową nić nukleotydów. Wydaje się, że jest to niewiele. Jednak, gdy weźmiemy pod uwagę wielkość całego genomu (czyli całości informacji genetycznej naszego organizmu) tj. 3.2 miliarda par zasad, widzimy, że takie błędy będą się pojawiać dość często. Większość z nich na szczęście zostanie skutecznie naprawiona dzięki funkcjonującym w komórce skomplikowanym mechanizmom naprawy DNA opartym m.in. na wycinaniu nieprawidłowo wbudowanych zasad azotowych.

Pojawienie się błędów, które nie zostały prawidłowo naprawione, może skutkować powstaniem wariantów patogennych w genie (zwanych potocznie mutacjami). Jeśli nastąpiły one w komórkach rozrodczych (plemnik lub komórka jajowa), istnieje szansa powstania choroby genetycznej u potomstwa. Jeśli patogenne warianty genów powstają w innych komórkach naszego ciała niż rozrodcze, nie zostaną one przekazane potomstwu, ale mogą mieć wpływ na rozwój wielu chorób, w szczególności nowotworowych.

Chromosom – czyli jak skutecznie zmniejszyć objętość DNA.

Materiał genetyczny upakowany jest w jądrze komórki w bardzo zmyślny sposób. Nić DNA jest nawinięta na specjalne białka zwane histonami. Takie struktury umieszczone są w jądrze komórkowym, w specyficznych dla siebie przedziałach, czyli ograniczonych przestrzeniach, w których znajduję się tylko specyficzny dla tego miejsca materiał genetyczny.

W momencie, gdy komórka dokonuje podziału, histony wraz z nawiniętymi na nie nićmi DNA muszą ulec kondensacji, czyli zmniejszeniu swojej objętości. Osiem, połączonych ze sobą białek histonowych tworzy jeden nukleosom. Następnie nukleosomy organizują się w solenoidy i kolejno w spirale i superhelisę. Ostatecznym, najbardziej złożonym stopniem zorganizowania cząsteczki DNA i histonów, jest chromosom (Rysunek 2).

Człowiek posiada łącznie 46 chromosomów ułożonych w 23 pary, z czego 44 są tzw. autosomami, a pozostałe dwa, odpowiedzialne za determinację płci człowieka, nazywane są allosomami lub zwyczajnie – chromosomami płci. W przypadku allosomów – zestaw XX warunkuje płeć żeńską, a zestaw XY płeć męską.

Rysunek 2. Stopnie zorganizowania struktury DNA od widocznej po lewej struktury podwójnej helisy DNA do chromosomu.

Jak wykryć mutację?

Organizowanie się materiału genetycznego ma też duże znaczenie kliniczne. Pewne mutacje są wykrywane tylko na konkretnym stopniu „złożoności” DNA. Jeśli zatem przyczyna choroby leży w mutacji punktowej (np. nieprawidłowo dopasowane zasady azotowe), będziemy w stanie wykryć ją w samej sekwencji DNA. Jeśli mutacja dotyczy większej ilości nukleotydów np. delecji (braku) w eksonie, to taką zmianę charakteryzować będziemy na poziomie genu. Możliwą przyczyną choroby są także zmiany liczby lub struktury chromosomów. Przykładowo w zespole Downa zamiast prawidłowej liczby chromosomów (46) obecny jest dodatkowy chromosom (46+1), a dokładniej występują 3 chromosomy zamiast 2 w 21 parze.

Podsumowując, geny są podstawową jednostką dziedziczenia zbudowaną z DNA. DNA składa się z kolei z nukleotydów tworzonych m.in. przez zasady azotowe – adeninę, tyminę, guaninę oraz cytozynę. Całe DNA w momencie podziału komórkowego ulega kondensacji ostatecznie tworząc chromosomy. Warty zapamiętania jest praktyczny fakt związany z określaniem mutacji na poszczególnych poziomach organizowania się materiału genetycznego.

Źródła: