Kod kreskowy umieszczony na każdym towarze znajdującym się na sklepowej półce zawiera zaszyfrowaną informację o produkcie. Wystarczy użyć skanera, by ją poznać. Czy człowiek i inne organizmy również posiadają kod umożliwiający ich identyfikację?

Już wiesz
  • możliwe jest poznanie sekwencji genetycznej organizmu;

  • sekwencja genetyczna to ciąg zasad: A, T, G, C;

  • w sekwencji genetycznej zakodowane są informacje nt. funkcjonowania oraz budowy organizmu.

Nauczysz się
  • wymieniać i opisywać przykłady wykorzystania badań DNA w nauce;

  • oceniać przydatność wiedzy zdobytej w trakcie trwania projektu poznania ludzkiego genomu HGP;

  • wyjaśniać związek pomiędzy filogenetyką, a biologią molekularną;

  • określać przydatność bioinformatycznych baz danych.

1. Badania genomów

Sekwencjonowanie DNA jest bardzo ważną techniką laboratoryjną stosowaną w badaniach nad genami. Dzięki niemu można dokładnie ustalić kolejność nukleotydów (adeninowego, guaninowego, tyminowego, cytozynowego) kodujących informację genetyczną (zapis unikatowych danych oraz wskazówek dotyczących budowy i funkcjonowania komórek). Poznanie sekwencji kodujących ma ogromne znaczenie, ponieważ pozwala określić funkcję konkretnych genów. Technika sekwencjonowania DNA jest jednym z najszybszych i najmniej kosztownych sposobów poznania genotypu.

Polecenie 1

Na podstawie Ilustracji 1 opisz, na czym polega sekwencjonowanie DNA.

2. Projekt poznania ludzkiego genomu

Projekt poznania ludzkiego genomu (HGP) powstał w 1990 r. Jego celem jest poznanie ludzkiego genomu oraz stworzenie map wszystkich chromosomów. Początkowo zakładano, że realizacja projektu zajmie 15 lat, jednak dzięki bardzo szybkiemu rozwojowi technik inżynierii genetycznej ukończono go już po 13 latach. Projekt był sponsorowany przez Departament Energii USA oraz Narodowy Instytut Zdrowia USA. Instytucje te przeznaczyły na jego realizację 3 mld dolarów. W efekcie, 14 kwietnia 2003 r. powstał dokument zawierający sekwencje 99% ludzkiego genomu. Wyniki badań dowiodły, że:

  • liczba genów człowieka jest mniejsza niż wcześniej zakładano i wynosi ok. 30 tysięcy;

  • 90% łańcucha DNA nie niesie żadnej informacji (lub zawiera informacje do tej pory niepoznane);

  • liczba par nukleotydów stanowiących genom przekracza 3 mld;

  • niektóre geny kodują cząsteczki RNA, które mogą przeprowadzać wiele reakcji biochemicznych w organizmach;

  • wciąż mało wiemy o ludzkim genomie – nie przypomina on prostego przepisu wytwarzania białek, lecz złożony program komputerowy.

Informacje uzyskane w wyniku realizacji projektu pomogą w opracowaniu skuteczniejszych metod diagnozy chorób genetycznych, wykrywaniu ryzyka ich wystąpienia, a być może także w zapobieganiu niektórym z nich. Dzięki HGP wykazano związek określonych sekwencji DNA z posiadanymi zdolnościami i umiejętnościami. Projekt przyczynił się również do odkrycia kolejnych technik umożliwiających poznawanie sekwencji genetycznych.

Podczas prac nad projektem poznania ludzkiego genomu dokonano sekwencjonowania genów organizmów modelowych (bakterii E. coli, drożdży S. cerevisiae, nicieni C. elegans, muszek owocowych D. melanogaster). Spowodowało to szybszy rozwój technologii oraz lepszą interpretację wyników sekwencjonowania ludzkiego genomu.

Polecenie 2

Wymień czynniki inne niż geny mogące wpływać na określone umiejętności i zdolności człowieka.

Ciekawostka

Richard Dawkins porównuje geny do przepisu na ciasto. Wiele zależy od recepty (genotypu), ale równie dużo od wprawy kucharza i jakości produktów, jakie ma do dyspozycji. Oznacza to, że sposób przejawiania się genów zależy od czynników środowiska.

3. Wykorzystanie bioinformatyki w filogenetyce

Filogenetyka to dział biologii ewolucyjnej zajmujący się ustalaniem pochodzenia organizmów. Do niedawna pochodzenie i pokrewieństwo między organizmami, także wymarłymi, ustalano głównie na podstawie ich podobieństwa w budowie, rozwoju i funkcjonowaniu. Dzięki powstaniu baz danych sekwencji genetycznych wielu organizmów (sekwencji DNA, RNA) i informacji dotyczących struktur białkowych oraz zaawansowanym narzędziom bioinformatycznym opisywanie historii świata żywego jest łatwiejsze, a jego wyniki obciążone są mniejszym błędem.

Na podstawie fragmentów zachowanego DNA wymarłych organizmów można poznać ich biologię. Po ustaleniu kolejności nukleotydów pobranych ze szczątków porównuje się ją z sekwencją DNA form obecnie żyjących. Podobieństwo sekwencji genów uróżnych gatunków określa się w procentach. W przypadku stwierdzenia takich samych sekwencji kodujących w DNA wymarłego organizmu i organizmu żyjącego obecnie można ustalić z dużym prawdopodobieństwem, jakie białka wytwarzał gatunek kopalny. Na podstawie obecności określonego białka można stawiać hipotezy, jakie cechy fizjologii i budowy mogły charakteryzować badany gatunek. W ten sposób można z dużym prawdopodobieństwem odtwarzać budowę nieistniejących już organizmów, określać ich tryb i środowisko życia oraz przebieg ewolucji.

Zanim metody bioinformatyczne stały się powszechne, biolodzy ewolucyjni spodziewali się, że przewidywania sformułowane na podstawie analiz z zakresu anatomii porównawczej, dotyczące pokrewieństwa i drzew rodowych, wymarłych oraz obecnie żyjących organizmów, potwierdzą się. Okazało się jednak, że rezultaty badań molekularnych często zaprzeczają danym zebranym przez anatomów. Różnice w ocenie prawdziwości wyników metod tradycyjnych i bioinformatycznych podzieliły środowisko naukowe. Obecnie więcej osób przychyla się do opinii, że to właśnie wyniki badań molekularnych są najbardziej wiarygodne, a przy tym łatwiejsze w stosowaniu. Ponadto umożliwiają przebadanie większej liczby szczątków. Anatomowie często potrzebują kości lub innych w miarę dobrze zachowanych fragmentów ciała (najlepiej w całości), natomiast do badań molekularnych wystarczy jedynie DNA. Można je pozyskać z niewielkich elementów, których budowa nic nie mówi anatomom. Wyizolowany DNA poddawany jest sekwencjonowaniu, a uzyskane tą techniką sekwencje porównuje się następnie z DNA innych organizmów. Duże podobieństwo świadczy o bliskim pokrewieństwie. W ten sposób można również zestawić ze sobą RNA i białka różnych organizmów.

Polecenie 3

Korzystając z serwera NCBI, porównaj sekwencję nukleotydów albuminy myszy (Mus musculus) i szczura (Rat rattus).

  • Na serwerze NCBI wybierz All Databases nucleotide, a w oknie wyszukiwarki wpisz albumin Mus musculus, a potem albumin Rat rattus.

  • Skopiuj sekwencje nukleotydów kodujących obie albuminy.

  • Jedną z nich wklej do nucleotide blast w oknie Enter Query Sequence, a drugą w oknie Enter Subject Sequence; zaznacz Align two or more sequences, a następnie kliknij BLAST.

  • Po chwili pojawi się wynik porównań.

  • Ustal, jak duże jest podobieństwo albuminy myszy i szczura.

4. Barkoding DNA, czyli kod kreskowy organizmu

Kod kreskowy (ang. bar‑code), o którym była mowa we wstępie do lekcji, to zbiór informacji na temat poszczególnych produktów znajdujących się w bazie sklepu, hurtownika czy producenta. Jego głównym zastosowaniem jest automatyczna identyfikacja towarów w banku danych. Analogię kodu kreskowego dla organizmów stanowi sekwencja genetyczna. Jest to unikatowy kod każdej istoty. Rozpoznając sekwencję nukleotydów, można ze stuprocentową pewnością określić przynależność gatunkową posiadających ją konkretnych osobników. Istnieją już pomysły i pierwsze próby sporządzenia biblioteki kodów wszystkich organizmów. Bardzo ważnym aspektem w tworzeniu takiego zbioru jest odpowiedni dobór obszaru sekwencji genetycznych, znajdujących się w bazie danych. Do identyfikacji należy wytypować taki region DNA, który będzie się powtarzał u osobników tego samego gatunku, ale równocześnie będzie unikatowy na poziomie analiz międzygatunkowych. Dla konkretnego gatunku niezbędne więc będzie określenie specyficznej sekwencji nukleotydów, służącej do porównań.

Funkcjonuje już baza BOLD (Barcode of Life System). W 2005 r. znajdowały się tam 33 tysiące barkodów (znaczników DNA) dla 12,7 tysięcy gatunków. Osiem lat później baza liczyła już ponad 2,6 mln znaczników dla ok. 190 tysięcy gatunków. Każdy z nich zawiera nazwę gatunkową, sekwencję kodu, datę oraz miejsce znalezienia osobnika, zdjęcia i inne dodatkowe informacje.

Podsumowanie

  • W sekwencji genetycznej są zakodowane unikatowe informacje dotyczące funkcjonowania komórek.

  • Celem projektu poznania ludzkiego genomu było ustalenie sekwencji komplementarnych par zasad tworzących ludzki genom.

  • Współczesna filogenetyka korzysta z metod biologii molekularnej.

  • Za pomocą metod biologii molekularnej można przewidywać cechy wymarłych przodków zwierząt żyjących współcześnie.

  • Każdy organizm posiada swój unikatowy identyfikator – sekwencję genetyczną.

Praca domowa
Polecenie 4.1

1. Oceń, jakie znaczenie dla ludzkości ma poznanie sekwencji genetycznej człowieka. Wskaż zagrożenia i korzyści wynikające ze znajomości genomu ludzkiego.

Polecenie 4.2

2. Wyjaśnij, jakie znaczenie ma poznanie sekwencji zasad azotowych wybranych fragmentów DNA.

Słowniczek

barkoding DNA

nowe narzędzie do opisu bioróżnorodności umożliwiające tworzenie bibliotek (zbiorów) sekwencji DNA występujących w organizmach

Richard Dawkins

Jest zoologiem, ewolucjonistą, autorem wielu publikacji i książek, m.in. o ewolucji, np. „Samolubny gen”, „Ślepy zegarmistrz”.

genom

zespół genów znajdujący sie w haploidalnym (pojedynczym) zestawie chromosomów

filogenetyka

dział biologii ewolucyjnej zajmujący się rekonstrukcją genealogii (pochodzenia) organizmów

projekt poznania ludzkiego genomu

HGP, z ang. Human Genome Project; projekt mający na celu poznanie wszystkich sekwencji kodujących w genomie człowieka

sekwencjonowanie DNA

technika biologii molekularnej pozwalająca poznać kolejność nukleotydów we fragmencie kwasu nukleinowego

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4