Biologia w erze pogenomowej..pdf

Tom 51, 2002

Numer 1 (254)

Strony

A NDRZEJ J ERZMANOWSKI

Wydzia³ Biologii Uniwersytetu Warszawskiego oraz

Instytut Biochemii i Biofizyki PAN

Pawiñskeigo 5A, 02-106 Warszawa

e-mail: andy@ibb.waw.pl

BIOLOGIA W ERZE POGENOMOWEJ 1

Okres rozwoju biologii, wktórymsiê obec-

nie znajdujemy, ma ju¿ sw¹ nazwê, zosta³ okre-

œlony, jako era pogenomowa. Warto jednak

pamiêtaæ o tym, ¿e ery w nauce trwaj¹ dziœ

znacznie krócej ni¿ dawniej. Byæ mo¿e za kil-

kanaœcie lat znajdziemy siê w erze o zupe³nie

innej nazwie. Zamierzam przyjrzeæ siê trzem

spoœród wielu ciekawych kierunków, w któ-

rych pod¹¿a pogenomowa biologia. S¹ to: ge-

nomika porównawcza, g³êboka analiza geno-

mów i poszukiwanie nowych sposobówopisu

organizmów. Uwa¿am je za wa¿ne, byæ mo¿e

najwa¿niejsze, choæ zdaje sobie te¿ sprawê, ¿e

wszelkie sztywne klasyfikacje s¹ dziœ bardzo

ryzykowne. Ze wzglêdu na zmiany wymusza-

ne lawinowym rozwojem technologii, wi-

doczne obecnie podzia³y ju¿ nied³ugo mog¹

siê staæ niewyraŸne lub przekszta³ciæ w ca³ko-

wicie nowe. Nie jestem w stanie przedstawiæ

wymienionych wy¿ej kierunków w sposób

systematyczny i wyczerpuj¹cy. Ka¿dy z nich

urós³ ju¿ do rozmiarów pokaŸnej dziedziny.

Chcê raczej zilustrowaæ je za pomoc¹ bardziej

lub mniej szczegó³owych przyk³adów maj¹c

nadziejê, ¿e uka¿e to przynajmniej smak tego,

co nas czeka.

GENOMIKA PORÓWNAWCZA — WNIOSKI Z ANALIZY ARCHITEKTURY GENOMU LUDZKIEGO

Od dawna wiadomo, ¿e przypadkowe du-

plikacjemateria³u genetycznegomog¹ byæ po-

tencjalnymŸród³emzmian ewolucyjnych. Pod

koniec lat 60. XX wieku amerykañski genetyk

Susumu Ohno zaproponowa³, ¿e poliploidyza-

cje, czyli duplikacje ca³kowitych genomów,

wraz z gromadz¹cymi siêwnich póŸniej muta-

cjami punktowymi, by³y najistotniejszymkata-

lizatorem wzrostu z³o¿onoœci u krêgowców

(O HNO 1970). Wed³ug tej koncepcji, u zarania

krêgowców dosz³o do powstania ewolucyjne-

go ogniwa poœredniego w postaci tetraploidu

(4N), po którym nast¹pi³ powrót do stanu di-

somii (2N). Wymaga to oczywiœcie, by tetra-

ploidalny przodek by³ ¿ywotny. Takie sytuacje

s¹ do dziœ powszechne u roœlin. Generalnie,

poliploidyzacje umo¿liwiaj¹ pojawienie siê

dodatkowych kopii wszystkich istotnych ge-

nów, które mog¹ nastêpnie ewoluowaæ bez

ograniczeñ narzucanych przez dobór. Wydaje

siê, ¿e ewolucyjne znaczenie poliploidyzacji u

bardziej z³o¿onych zwierz¹t zmala³o po

wy³onieniu siê linii krêgowców, tj. ok.

450–550 milionów lat temu. PóŸniej, mo¿liwe

by³y tylko ograniczone innowacje zwi¹zane z

miejscow¹ duplikacj¹ krótszych odcinków se-

kwencji genomowych.

1 Referat wyg³oszony na posiedzeniu plenarnymWydzia³u II Nauk Biologicznych PANwdniu 22 listopada 2001r.

1–4

A NDRZEJ J ERZMANOWSKI

Innym, wa¿nym mechanizmem s¹ endodu-

plikacje — tandemowe duplikacje lokalnych re-

jonów genomu, bêd¹ce wynikiem nierówno-

miernego crossing-over. Zduplikowane frag-

menty ulegaj¹ raptownej homogenizacji na

skutek zjawiska zwanego konwersj¹ genow¹.

Dziêki temu powstaj¹ klastery rodzin geno-

wych. W genomie ludzkim istnieje wiele star-

szych (np. rodzina genów immunoglobulin) i

nowszych (np. rodzina genów glikpoprotein

ci¹¿owych) œladów dzia³ania tego mechani-

zmu.

Nieoczekiwanym wynikiem analizy geno-

mu ludzkiego by³o stwierdzenie obfitego wy-

stêpowania duplikacji szczególnego rodzaju,

zwanych segementowymi (V ENTER i wspó³aut.

2001). Pozosta³oœci¹ po nich s¹ du¿e bloki se-

kwencji genomowych o znacznym, w wielu

przypadkach przekraczaj¹cym 90%, stopniu

identycznoœci i o d³ugoœci od kilku tysiêcy do

stu tysiêcy par zasad. Zawieraj¹ one zarówno

sekwencje eksonowe, jak i intronowe, i wprze-

ciwieñstwie do rejonów, które uleg³y duplika-

cjom tandemowym, s¹ rozrzucone po ca³ym

genomie. Du¿e skupienia sekwencji po-

chodz¹cych z duplikacji segmentowych wystê-

puj¹ w rejonach pericentromerowych i subte-

lomerowych. Uderzaj¹ce jest to, ¿e podobnego

uk³adu sekwencji nie zaobserwowano w po-

znanych do tej pory genomach bezkrêgow-

ców.

Szczególny rozk³ad w chromosomach i nie-

dawne pojawienie siê, o czym œwiadczy wysoki

stopieñ identycznoœci, powielonych segmen-

tów w genomie cz³owieka wskazuj¹ wiêc na

istnienie trzeciego mechanizmu duplikacji,

niezale¿nego od poliploidyzacji i duplikacji

tandemowych. Niektóre duplikacje segmento-

we pojawi³y siê ju¿ po rozdzieleniu siê linii pro-

wadz¹cych do cz³owieka i szympansa. Szcze-

gó³owe analizy filogenetyczne wskazuj¹ na

skomplikowany, wielowarstwowy charakter

duplikacji segmentowych: po duplikacji i prze-

niesieniu pocz¹tkowej sekwencji, w jej obrê-

bie nastêpowa³y kolejne duplikacje i przenie-

sienia wtórne. Wiele z tych wtórnych zmian,

szczególniewduplikacjach transchromosomo-

wych, nast¹pi³o ju¿ po rozdzieleniu siê linii ho-

minidów (cz³owiekowatych) i ma³p cz³eko-

kszta³tnych.

Ponad 5% ludzkiego genomu stanowi¹ nie-

dawne duplikacje segmentowe. Wiele wskazu-

je na to, ¿e zjawisko duplikacji segmentowych

jest unikatowe dla genomów naczelnych. Po-

dobnie, jak w przypadku dwóch poprzednio

wspomnianych typów duplikacji, duplikacje

segmentowe mog³y siê przyczyniæ do pojawia-

nia siê nowych genów u hominoidów. Jednak

ich znaczenie dla przebiegu ewolucji mo¿e wy-

nikaæ z czegoœ zupe³nie innego. Byæ mo¿e sta-

nowi¹ one g³ówny motor ewolucji struktural-

nej chromosomów. Sk¹d to przypuszczenie?

Duplikacje segmentowe (wewn¹trz- i mie-

dzychromosomowe) zasadniczo zwiêkszaj¹

prawdopodobieñstwo wtórnych rearan¿acji

prowadz¹cych do dodatkowych inwersji, dele-

cji i duplikacji. W tym sensie duplikcje segmen-

towe mog¹ byæ uznane za typowe mutacje dy-

namiczne, to jest takie, w których pocz¹tkowe

wydarzenie mutacyjne zwiêksza prawdopodo-

bieñstwo wydarzenia wtórnego. Du¿e bloki

niemal identycznych sekwencji stanowi¹ ideal-

ny materia³ dla wtórnych rekombinacji nieho-

mologicznych. Mozaikowa architektura wielu

segmentowych duplikacji w chromosomach

ludzkich jest prawdopodobnie wynikiem wie-

lokrotnych rund rekombinacji, które nastêpo-

wa³y jedna po drugiej, w stosunkowo krótkim

czasie w trakcie ewolucji. U cz³owieka, na ka-

¿dych 1000 urodzeñ, pojawia siê spowodowa-

na duplikacj¹ segmentow¹ rearan¿acja chro-

mosomów w linii p³ciowej. Du¿e wydarzenia

mutacyjne, które na ogó³ zmniejszaj¹ dostoso-

wanie, s¹ œlep¹ uliczk¹ jeœli chodzi o ewolucjê

chromosomów, ale ostatnio udokumentowa-

no u cz³owieka kilka znacznych rearan¿acji

chromosomowych nie maj¹cych ¿adnych bez-

poœrednich nastêpstw klinicznych. Opisano,

zwi¹zane z niedawnymi duplikacjami segmen-

towymi, polimorfizmy strukturalne obej-

muj¹ce zmiany od ma³ych delecji licz¹cych 54

tysi¹ce par zasad do inwersji odcinków o

d³ugoœci przekraczaj¹cej 5milionówpar zasad.

Te rearan¿acje strukturalne pozostaj¹ w rów-

nowadze Hardy-Weinberga 2 , przynajmniej

wewn¹trz grup etnicznych. Obejmuj¹ przy tym

nie tylko heterochromatynê, ale i bogate w

geny rejony euchromatynowe (E CHLER 2001).

Z perspektywy ewolucyjnej taka p³ynnoœæ

strukturalna mo¿e mieæ istotne znacznie w

konstrukcji barier dla krzy¿owania. Osobnicy

homozygotyczni pod wzglêdem zmienionych

chromosomów, mogliby w teorii wytworzyæ

barierê dla krzy¿owania z osobnikami o nie-

2 Stan du¿ej populacji, charakteryzuj¹cej siê swobodnym doborem partnera, w którym frekwencja genów i geno-

typów jest sta³a z pokolenie na pokolenie (przyp. Red.).

Biologia w erze pogenomowej

zmienionych chromosomach, polegaj¹c¹ na

uniemo¿liwieniu prawid³owego parowania i

segregacji chromosomów homologicznych.

Ciekawy przyczynek do rozwa¿añ o przysz³ych

losach populacji ludzkiej

G£ÊBOKA ANALIZA GENOMÓW — ŒWIAT MA£YCH RNA

zidentyfikowano w

trakcie analizy genetycznej wczesnego rozwo-

ju Caenorhabditis elegans . Ekspresja lin-4 w

pierwszym stadium larwalnym, a let-7 w czwar-

tym, powoduje unieczynnienie pewnych doce-

lowych mRNA poprzez oddzia³ywanie z ich re-

jonami 3’-koñcowymi (tzw. 3’ UTR, rejony nie

ulegaj¹ce translacji), które s¹ komplementarne

do poszczególnych rodzajówmikroRNA. Umo-

¿liwia to precyzyjn¹ regulacjê profilu tran-

skrypcji w czasie, zwi¹zan¹ z determinacj¹ lo-

sów komórek. Na œlad nowej klasy RNA natra-

fiono tak¿e analizuj¹c biochemiczne pod³o¿e

zjawiska tzw. interferencji RNA, polegaj¹cego

na hamowaniu aktywnoœci transkrypcyjnej do-

celowych genów przez dwuniciowe RNA, z

których w komórkach powstawa³y 21–25 nu-

kleotydowe formy poœrednie — RNAi, dzia³a-

j¹ce jako matryce dla swej w³asnej amplifikacji.

Wkrótce siê okaza³o, ¿e ta sama rybonukleaza,

zwana Dicer, poœredniczy zarówno w wytwa-

rzaniu naturalnych ma³ych RNA typu let-7, jak i

w obróbce sztucznie wprowadzanych prekur-

sorów dla RNAi. Okaza³o siê tak¿e, ¿e mutacje

wDicer powoduj¹ liczne aberracje rozwojowe

u zarówno u zwierz¹t, jak i u roœlin. Kluczowa

dla analizy znaczenia i rozpowszechnienia tej

strategii regulacji rozwoju by³a g³êboka analiza

genomów szeregu organizmów. Ujawni³a ona,

¿e ma³e RNA, o których mowa, nie s¹ artefakta-

mi ani produktami rozpadu wiêkszych cz¹ste-

czek. Oko³o 12% zidentyfikowanych mi-

kro-RNA to sekwencje konserwowane wœród

nicieni, owadów i ssaków. Niektóre z nich ule-

gaj¹ ekspresji tylko w linii komórek p³ciowych

lub we wczesnym rozwoju, inne pojawiaj¹ siê

w trakcie ró¿nicowania specyficznych tkanek.

Zidentyfikowano ju¿ wiele regulatorowych se-

kwencji rozmieszczonych w rejonach 3’UTR

transkryptówwyra¿anych w komórkach p³cio-

wych i we wczesnych stadiach embriogenezy.

Znalezienie w bazach danych tych, które s¹

komplementarne do poznanych ju¿ mikroRNA

pozwoli na identyfikacjê potencjalnych szla-

ków genetycznych czynnych w rozwoju.

Wydaje siê, ¿e mikroRNA mog¹ te¿ uczest-

niczyæwkontroli translacji mRNA zlokalizowa-

nych w rejonach dendrytów komórek neuro-

nalnych, które — jak siê s¹dzi — poœrednicz¹ w

plastycznoœci synaptycznej. U roœlin, mikro-

RNA wytwarzane z dwuniciowych prekurso-

rów reguluj¹ nie tylko stabilnoœæ mRNA, ale i

transkrypcjê genów docelowych. Niewyklu-

czone, ¿e wiele z nie odkrytych jeszcze miRNA

reguluje geny na poziomie transkrypcji. Cieka-

wa jest koncepcja poœrednictwa miRNA w od-

powiedziach systemicznych, np. u roœlin zaka-

¿onych wirusami.

NOWE SPOSOBY OPISU ORGANIZMÓW

Biolodzy molekularni s¹ przyzwyczajeni do

opisywania komórki tak, jakby by³a kryszta³em

o zdeterminowanej geometrii albo sztywn¹

struktur¹ zbudowan¹ z idealnie dopasowa-

nych czêœci. Tymczasem komórka nie jest

kryszta³em, a zasady które w niej obowi¹zuj¹

przypominaj¹ bardziej te, które odnosz¹ siê do

tworzenia struktur dysypatywnych ni¿ precy-

zyjnie zaplanowanych budowli. Lokalne nieho-

mogennoœci, gradienty i zale¿ne od transportu

procesy samoorganizacji musz¹ byæ podstawa

funkcjonowania wiêkszoœci procesów komór-

kowych. Trudno tu o lepszy przyk³ad ni¿ pro-

ces mitozy i, szerzej, relacjemiêdzy j¹drema cy-

toplazm¹

Badania ostatnich kilku lat dowodz¹, ¿e ko-

mórkowy œwiat ma³ych cz¹steczek RNA jest

znacznie bardziej skomplikowany ni¿ siê do tej

pory wydawa³o. Ma³e RNA pe³ni¹ w komórce

najrozmaitsze funkcje. G³êboka analiza geno-

mówwskazuje, ¿e tkwi w nich informacja, któ-

ra mo¿e siê okazaæ odpowiednikiem ciemnej

materii gwiezdnej: jest obok nas, lecz pozostaje

niewidoczna. Najlepszym przyk³adem jest nie-

znany do niedawna rodzaj RNA, tzw. mikro-

RNA — niewielkie, licz¹ce 22–25 nukleotydów

cz¹steczki RNA o szczególnej funkcji (R UVKUN

2001).

Po raz pierwszy cz¹steczki mikroRNA, 22-

nukleotytdowe lin-4 i let-7

Plastycznoœæ procesu organizacji

wrzeciona kariokinetycznego i jego odpor-

noœæ na zak³ócenia da siê wyt³umaczyæ jedynie

poprzez za³o¿enie, ¿e stochastycznym zacho-

A NDRZEJ J ERZMANOWSKI

waniem siê mikrotubul steruje pole od-

dzia³ywañ. Pole jest tu zdefiniowane, jako ob-

szar wewn¹trz którego si³a wywiera wp³yw na

ka¿dy punkt. Pytanie, czym jest ta si³a? Odpo-

wiedŸ, najbardziej prawdopodobna z mo¿li-

wych, brzmi: s¹ ni¹ gradienty stê¿eñ regulato-

rów dynamiki mikrotubul i ich aktywnoœci mo-

torycznych (K ARSENTI iV ERNOS 2001).

Istniej¹ doœwiadczalne dowody, ¿e wokó³

chromosomów mitotycznych wytwarza siê

gradient fosforylacji statminy, drobno-cz¹ste-

czkowego regulatora dynamiki mikrotubul

(nieufosforylowana forma statminy aktywnie

destabilizuje mikrotubule). Gradient ten jest

najbardziej prawdopodobnym wyt³umacze-

niem obserwowanej stabilizacji mikrotubul

wokó³ chromatyny. Drugi, bardzo prawdopo-

dobny przypadek gradientu dotyczy bia³ka

RAN, ma³ej GTPazy, która jest kluczowa dla

kontroli transportu bia³ek z sygna³em lokaliza-

cji j¹drowej do j¹dra, a tak¿e dla indukcji nukle-

acji mikrotubul w okolicy chromosomów w

mitozie. W j¹drze RAN zwi¹zany jest z GTP, zaœ

w cytoplazmie z GDP. Dynamiczny gradient

RAN ustala siê na skutek istnienia odmiennych

bia³ek wi¹¿¹cych obie formy — bia³ka RCC1,

wystêpuj¹cego w chromosomach i bia³ka GAP,

wystêpuj¹cego w cytoplazmie. Przypuszczal-

nie, w mitozie odgrywaj¹ te¿ rolê inne, nie wy-

kryte dot¹d pola oddzia³ywañ.

Do odkrycia logiki z³o¿onych systemów ko-

mórkowych nie wystarczy tylko ustalenie, któ-

re bia³ka oddzia³uj¹ z którymi. Niezbêdne s¹

nowe sposoby opisu, uwzglêdniaj¹ce dynami-

kê procesóww komórce, choæby tych sterowa-

nych przez pola oddzia³ywañ, o których tu

wspomniano.

BIOLOGY IN POSTGENOMIC PHASE

Summary

The current postgenomic phase in biology is char-

acterized by the occurrence of numerous novel re-

search areas. Within the next twenty years or so, some

of them will probably develop into well defined

sub-disciplines, the other will disappear or transform

into something completely new. Of the emerging di-

rections, three seem particularly promising. They are:

comparative genomics, deep analysis of the genomes

and a search for the new ways of describing organ-

isms. The recent exemplary achievments obtained by

researchers pursuing these directions were the eluci-

dation of the role of segmental DNA duplications in

the evolution of mammals, the discovery of the regula-

tory functions and the widespread occurrence in the

genomes of the tiny RNA molecules, the microRNA,

and the finding that such processes as karyokinesis or

nuclear-cytoplasmic transport are controlled by the

fields of interactions resulting form gradients of regu-

latory molecules.

LITERATURA

E CHLER E. E., 2001 Recent duplication, domain accre-

tion and the dynamic mutation of the human ge-

nome . Trends in Genetics 17, 661–669.

K ARSENTI E., V ERNOS I., 2001 . The mitotic spindle: a sel-

f-made machine . Science 294, 543–547.

O HNO S., 1970 . Evolution by Gene Duplication . Sprin-

ger Verlag, New York.

R UVKUN G., 2001 . Glimpses of a Tiny RNA World. Scien-

ce 294, 797–799.

V ENTER J. C. i wspó³aut., 2001 . The sequence of the hu-

man genome . Science 291, 1304–1351.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: