Czy kod genetyczny został rozszyfrowany?Czas czytania: 11 min

Weronika Górska

2022-06-29
Czy kod genetyczny został rozszyfrowany?<span class="wtr-time-wrap after-title">Czas czytania: <span class="wtr-time-number">11</span> min </span>

Wszystko należy upraszczać jak tylko można, ale nie bardziej.

Alberta Einsteina

 

Ludzie od dawna usiłują zrozumieć świat przyrody ożywionej. Próby wyjaśnień często polegają na analizowaniu układów biologicznych na podstawie ich części składowych. Podstawowe elementy odpowiedzialne za aktywność komórkową w organizmach stały się możliwe do badań wraz z odkryciem struktury DNA przez Francisa Cricka i Jamesa Watsona w 1953 roku. Tak narodziła się biologia molekularna, która opisuje wiele zjawisk biologicznych na fundamentalnym poziomie1.
Jądro komórkowe człowieka, zawierające podstawowy materiał genetyczny, jest zorganizowane w postaci dwuniciowych łańcuchów DNA pod postacią komplementarnych par zasad azotowych. Upakowany materiał genetyczny składa się z 23 par chromosomów wewnątrz jądra komórki, w tym jednej pary chromosomów płciowych. Kompletna informacja genetyczna znajduje się w genomie, w którym jest ponad 3,2 miliarda par zasad, z czego 30–40 tysięcy z nich to geny. Geny zawierają część zaangażowaną bezpośrednio w powstawanie białek (egzony) oraz część niekodującą pełniącą funkcje regulatorowe (introny)2.

W ciągu ostatnich dekad dyskusja na temat biologicznego porządku koncentrowała się przede wszystkim na pytaniu, czy genetykę klasyczną można sprowadzić do genetyki molekularnej i biochemii. Biologia molekularna odnalazła zastosowanie przy wykrywaniu chorób dziedzicznych oraz leczeniu ich za pomocą genetycznych modyfikacji. Terapia genowa CRISPR-Cas9 otworzyła perspektywę leczenia między innymi dziedziczonej dystrofii mięśniowej Duchenne’a (DMD)3, a przez sterowanie genami pozwoliła na eliminację fragmentu CCR5, co skutkuje znaczną lub całkowitą odpornością na zakażenie wirusem HIV4. Centralny dogmat biologii molekularnej zaproponowany w 1957 roku przez Circka i Watsona zapoczątkował inżynierię genetyczną. Dogmat ten zakłada, że informacja przechowywana w DNA jest transkrybowana na informacyjne RNA, które są następnie tłumaczone na sekwencję aminokwasów w białku, jednak pomija możliwość sprzężenia zwrotnego informacji z białka do DNA. Zatem czy na drodze nadmiernego entuzjazmu odkrycie Cricka i Watsona nie przerodziło się w „doktrynę DNA” przez sugestie naukowców, że DNA mógł zostać powtórzony bez obecności białek? W artykule odpowiem na pytanie, czy to, co wiemy na temat kodu genetycznego i jego funkcjonowania, wspiera naturalistyczne scenariusze pochodzenia i rozwoju życia.

Źródła pochodzenia cząsteczki DNA, jak i mechanizmów replikacji DNA są krytycznym zagadnieniem dla teorii pojawienia się życia na Ziemi. Bez zdolności replikacji DNA nie jest w stanie utrzymać żadnych funkcji życiowych. Wszystkie do tej pory przedstawione hipotezy o wczesnej ewolucji życia mają poważne wady – dotyczy to również popularnej obecnie hipotezy świata RNA. Sugeruje ona, że życie na Ziemi zaczęło się od prostej cząsteczki RNA, która mogła się sama replikować bez pomocy innych cząsteczek. Założenia tego modelu o namnażaniu się RNA przed ewolucją DNA i białek stają pod znakiem zapytania. Kataliza cząstek RNA jest ich rzadką funkcją i dotyczy tylko długich fragmentów rybonukleinowych, które niezwykle łatwo ulegają hydrolizie, zatem dalej nie mamy żadnych świadectw empirycznych na losowe spolimeryzowanie RNA w „pierwotnej zupie”. Z powodu wysokiej złożoności konformacyjnej łańcucha rybonukleinowego osiągnięcie przez niego zdolności replikacji jest bardzo mało prawdopodobne w warunkach początkowych, jak i w obecnie panujących na Ziemi. Synteza peptydów jest przeprowadzana przez RNA, jednak w założeniu hipotezy świata RNA pomija się, że do transkrypcji i translacji wymagana jest obecność szeregu białek, co tworzy punkt krytyczny w rzeczonej hipotezie. Kolejny problem dotyczy założenia, że synteza białka była możliwa przed pojawieniem się rybosomu. Wydaje się to sugerować nieskończoną serię regresji w postaci niekodowanych białek5, nie wspominali o ogniwach elektryzujących w celu tworzenia notatki 6.

Obecnie nie posiadamy naturalistycznego scenariusza pojawiania się życia na Ziemi, który moglibyśmy uznać za wiarygodny. Spory toczące się w nauce dotyczą braku świadectw na chemiczny proces powstawania (syntezy) DNA, a także niewytłumaczalnej złożoności informacji kodowanych w organizmach – wykracza to poza nasze zrozumienie genomu oraz uporządkowania DNA w skomplikowane struktury wiązań i konformacji. Dzisiaj wiemy, że DNA ma właściwości związków nietrwałych, których możliwość akumulacji w pierwotnym oceanie jest niemożliwa, a zasady azotowe nie tworzą się spontanicznie w przyrodzie7. Współczesne dane z biochemii wykazały, że działania enzymatyczne, niezbędne do transformacji zaczynającej się od fragmentów RNA do postaci DNA, są bardziej złożone, niż wcześniej sądzono. Jednym z wymogów powstania DNA jest uczestnictwo enzymów zdolnych do włączenia dNTP przy użyciu pierwszych szablonów będących odwrotnymi transkryptazami RNA, a dopiero później polimeraz DNA8. Zagadnienie to rzuca spory cień wątpliwości na centralny dogmat biologii molekularnej, który zakładał jeden schemat powstawania białek9. Kolejny problem dotyczy niezbadanych mechanizmów modyfikujących DNA podczas obróbki potranskrypcyjnej zwanej splicingiem. Jest to końcowy etap transkrypcji, w którym po przepisaniu matrycy DNA na prekursorowy RNA następuje przekształcenie informacji genetycznej w mRNA. Pierwszym etapem splicingu jest wycinanie intronów, a pozostałe odcinki (eksony) kodujące białka są ze sobą łączone. Proces splicingu potrafi przybierać formy, w których ostateczne sekwencje mRNA już nie odpowiadają pierwotnemu układowi w sekwencji DNA10. Taki mechanizm zachodzi w każdym żywym organizmie. Już w DNA muszki owocowej o stosunkowo małej liczbie par zasad z jednej sekwencji genomowej na bazie alternatywnego splicingu generowane jest przynajmniej 18 tysięcy różnych izoform białek11.

Mechanizmem uważanym za czynnik sprawczy ewolucji jest dobór naturalny, który działa na podstawie mutacji w materiale genetycznym. Mutacje to zmiany w sekwencji nukleotydowej DNA, zachodzące w sposób nagły, niekontrolowany i  dziedziczny. W teorii, mutacje z czasem mogą prowadzić do nabycia cech adaptacyjnych przez organizmy. Przekształcenie aktywnego regionu w kodzie nukleotydowym opierają się o zysk, stratę lub zmianę ekspresji badanej sekwencji. Lata eksperymentów pokazują, że każde wprowadzenie dodatkowej ekspresji w komórce wiązało się z utratą aktywności na szlakach innych enzymów12. Przykładem jest indukowana niewrażliwość bakterii na antybiotyki, która nie wynika z potencjału całkowicie nowej genetycznej aktywności, lecz wiąże się z utrudnieniami w funkcjonowaniu komórki. Taka cecha obejmuje ograniczanie przepuszczalności między kanałami przez modyfikacje lipidów, brakiem syntezy konkretnego enzymu przez zmianę konformacji w sekwencji mRNA czy zaburzeniami syntezy elementów odpowiedzialnych za właściwości ścian komórkowych13. Dodatkowo wszystkie mutacje punktowe, które zostały zbadane na poziomie molekularnym, okazują się jedynie zmniejszać zawartość informacji genetycznej, powodując defekty w ekspresji białek oraz zawartości ncRNA, które mogą przyczyniać się do rozwoju chorób i nowotworów. Dekady eksperymentów odnoszących się do ewolucji adaptacyjnej sugerują, że mutacje prowadzą do utraty funkcji przystosowawczych w odcinkach zawierających sekwencje regulatorowe, kodujące białka, tRNA i miRNA14.

Badania obrazujące ścieżkę ewolucyjną również podlegają nadużyciom. DNA składa się z czterech zasad azotowych: cytozyny, tyminy, adeniny i guaniny, zatem definiowanie podobieństwa międzygatunkowego (filogenetyki) tylko na podstawie jego podjednostek sprawia, że każde dwie sekwencje będą do siebie przeciętnie podobne w 25 procentach. Niezdolność do kompletnego uwzględnienia organizacji nukleotydów w pojedynczej komórce znacząco redukuje zakres poznania obecnych właściwości DNA, a tym bardziej utrudnia zrozumienie przebiegu mutacji dla całych osobników15. Badanie homologii organizmów tylko na poziomie genomiki porównawczej staje się ogromnym uproszczeniem mechanizmów molekularnych. Na przykładzie enzymu – mucyny ślinowej (MUC7) – udało się wykazać zmienność w sekwencji kodującej to białko jedynie wśród ssaków naczelnych, a nie mutacje, które przekształciły jedną wersję genu w inny gen. Żadne spekulacje na temat pochodzenia MUC7 nie określają jasnej ścieżki ewolucyjnej. Jedna z propozycji głosi, że enzym może pochodzić z mutacji zduplikowanej kopii genu SCCP, której nie udało się uzyskać w badaniach. Trudno więc postulować naturalistyczne wyjaśnienie, że losowe mutacje wygenerowały tak szeroki wachlarz fenotypów. Pojęcie wystarczająco długiego czasu nie pełni funkcji uzasadnienia, a jest jedynie podstawą do konwencjonalnego paradygmatu przyjętego w biologii na rzecz uproszczenia rzeczywistości. Ponadto próby rekonstrukcji wydarzeń są spekulacjami, a nie świadectwem przemawiającym na rzecz wspólnoty pochodzenia16. Alvin Toffler przytoczył przykład organizmów eukariotycznych, które rzekomo miały powstać z prostszych komórek zwanych prokariotami. Badania jednak wykazują, że te prostsze formy mogą pochodzić od form bardziej złożonych17.

Zobrazowanie pochodzenia życia nadal jest wyzwaniem dla współczesnej nauki. W wyjaśnieniu zaproponowanym przez neodarwinizm brakuje sekwencji kroków rozpoczynających się od materii nieożywionej do powstania replikującej się cząsteczki umożliwiającej produkcję białek w organizmach żywych. Podstawę problemów na tym polu naukowym stanowi niezwykła złożoność kodu zawartego w DNA, która wykracza poza zrozumienie informacji zawartej w genomie18. Złożone systemy posiadają właściwości emergentne. Z wykazanych przykładów wynika, że działania złożonych systemów nie można jednoznacznie przedstawić ani przewidzieć tylko przez analizę struktury ich składników. Jak zauważył Alvin Toffler, w wyższych formach organizacji nowa struktura jest bardziej zróżnicowana, skomplikowana i oparta na wielowarstwowym modelu oddziaływań wewnętrznych niż poprzednia. Zatem współczesna nauka doskonale rozkłada problemy na czynniki pierwsze, jednak nie potrafi następnie ich połączyć w całość19. W rzeczywistości człowiek nie tworzy nic poza ideami, które próbuje nazywać holistycznymi. W ten sposób staliśmy się jedynie maszynami służącymi do przekazywania kodu genetycznego.

Biologia zawsze była nauką o złożonych systemach, jednak złożoność w toku funkcjonowania organizmów oraz ewolucji dopiero od niedawna stała się nową koncepcją wykorzystywaną w badaniach. Wyjaśnienie zaproponowane przez teorię ewolucji poprzez wyłącznie fizykochemiczne właściwości organizmów jest dalej problematyczne, gdyż teoria doboru naturalnego nie dostarcza wiarygodnych interpretacji ewolucyjnej sekwencji rozwoju życia. Jej użycie wyklucza możliwość uchwycenia wyjaśnień funkcjonalnych, gdyż zaledwie jedna mutacja w kodzie genetycznym powoduje wielopoziomowe zmiany w ekspresji genów, profilu obróbki potranskrypcyjnej i morfogenezy. Nauka obecnie nie dysponuje metodami, które pozwalają na odtworzenie kompletnych systemów biologicznych, a jedynie jesteśmy w stanie składać krótkie polinukleotydy czy elementy żywych komórek (np. plazmidy). Mimo to współcześnie w świecie akademickim dalej pomija się w badaniach złożoność organizmów, co doskonale oddają diametralne różnice w wynikach eksperymentów in vitroin vivo. Jest to jeden z głównych powodów, dlaczego produkcja leków i opracowywanie szczepionek są znacząco utrudnione. Ten sam dotyczy teorii ewolucji, która powszechnie jest rozumiana jako jednotorowa droga postępu, a nie szereg skomplikowanych i niezbadanych mechanizmów. Dopiero z czasem dowiemy się, czy pojawi się wiarygodna symulacja złożonych systemów biologicznych, która rozwiąże dylematy teraźniejszej nauki, a szczególnie teorii ewolucji na poziomie molekularnym.

Weronika Górska

Laureatka III edycji stypendium Fundacji En Arche

 

Źródło zdjęcia: Pixabay

Ostatnia aktualizacja strony: 29.06.2022

Przypisy

  1. Por. J.D. Watson, F.H.C. Crick, The Structure of DNA, „Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology” 1953, Vol. 18, s. 123–131.
  2. Por. T.A. Brown, Genomes, 2nd ed., Wiley-Liss, Oxford 2002, Chap. 1: The Human Genome [dostęp 11 V 2022].
  3. Por. E. Choi, T. Koo, CRISPR Technologies for The Treatment of Duchenne Muscular Dystrophy, „Molecular Therapy” 2021, Vol. 29, No. 11, s. 1–13.
  4. Por. L. Lopalco, CCR5: From Natural Resistance to a New Anti-HIV Strategy, „Viruses” 2010, Vol. 2, No. 2, s. 574–600.
  5. Por. H.S. Bernhardt, Hipoteza świata RNA: najgorsza teoria wczesnej ewolucji życia (oprócz wszystkich pozostałych), „Biology Direct” 2012, tom. 7, nr 1, ust. 23.
  6. Por. K. Zahnle i in ., Najwcześniejsze atmosfery Ziemi , „Cold Spring Harbor Perspectives in Biology” 2010, tom. 2, ust. 9–10.
  7. Por. R. Shapiro, Prebiotic Cytosine Synthesis: A Critical Analysis and Implications for the Origin of Life, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 1999, Vol. 96, No. 8, s. 4396–4401.
  8. Por. P. Forterre et al., Origin and Evolution of DNA and DNA Replication Machineries, „Landes Bioscience” 2013, Vol. 32, No. 14, s. 2029–2038.
  9. Por. F.H.C. Crick, On Protein Synthesis, „Symposia of the Society for Experimental Biology” 1958, Vol. 12, s. 138–163.
  10. Por. Brown, Genomes.
  11. Por. W. Sun et al., Ultra-Deep Profiling of Alternatively Spliced Drosophila Dscam Isoforms by Circularization-Assisted Multi-Segment Sequencing, „The EMBO Journal” 2013, Vol. 32, No. 14, s. 2029–2038.
  12. Por. G. Storz, An Expanding Universe of Noncoding RNAs, „Science” 2002, Vol. 296, No. 5571, s. 1260–1263.
  13. Por. A. Egorov, et al., Bacterial Enzymes and Antibiotic Resistance. „Acta naturae” 2018, Vol. 10, No. 4, s. 33-48.
  14. Por. M.J. Behe, Experimental Evolution, Loss-of-Function Mutations, and the First Rule of Adaptive Evolution, „The Quarterly Review of Biology” 2010, Vol. 85, No. 4, s. 419–445.
  15. Por. Watson, Crick, The Structure of DNA, s. 113–123.
  16. Por. K. Anderson, Salivary Protein: Evolution or Just Adaptation, „Answers in Genesis” 2017 [dostęp 11 V 2022].
  17. Por. A. Toffler, The Third Wave, „William Morrow & Co., Inc.” 1980, s. 272–274.
  18. National Research Council (US) Committee on Planetary Biology and Chemical Evolution, The Search for Life’s Origins: Progress and Future Directions in Planetary Biology and Chemical Evolution, Washington (DC): National Academies Press 1990 [dostęp 11 V 2022].
  19. Toffler, The Third Wave, s. 287–291.

Literatura:

  1. Anderson K., Salivary Protein: Evolution or Just Adaptation, „Answers in Genesis” 2017 [dostęp 11 V 2022].
  2. Behe M.J., Experimental Evolution, Loss-of-Function Mutations, and ”the First Rule of Adaptive Evolution”, „The Quarterly Review of Biology” 2010, Vol. 85, No. 4, s. 419–445.
  3. Bernhardt H.S., The RNA World Hypothesis: The Worst Theory of the Early Evolution of Life (Except for all the Others), „Biology Direct” 2012, Vol. 7, No. 1, s. 23.
  4. Brown T.A., Genomes, 2nd ed., Wiley-Liss, Oxford 2002, Chap. 1: The Human Genome [dostęp 11 V 2022].
  5. Choi E., Koo T., CRISPR Technologies for the Treatment of Duchenne Muscular Dystrophy, „Molecular Therapy” 2021, Vol. 29, No. 11, s. 1–13.
  6. Crick F.H.C., On Protein Synthesis, „Symposia of the Society for Experimental Biology” 1958, Vol. 12, s. 138–163.
  7. Egorov A. et al., Bacterial Enzymes and Antibiotic Resistance, „Acta Naturae” 2018, Vol. 10, No. 4, s. 33–48.
  8. Forterre P. et al., Origin and Evolution of DNA and DNA Replication Machineries, „Landes Bioscience” 2013, Vol. 32, No. 14, s. 2029–2038.
  9. Lopalco L., CCR5: From Natural Resistance to a New Anti-HIV Strategy, „Viruses” 2010, Vol. 2, No. 2, s. 574–600.
  10. National Research Council (US) Committee on Planetary Biology and Chemical Evolution, The Search for Life’s Origins: Progress and Future Directions in Planetary Biology and Chemical Evolution, Washington (DC): National Academies Press 1990 [dostęp 11 V 2022].
  11. Shapiro R., Prebiotic Cytosine Synthesis: A Critical Analysis and Implications for the Origin of Life, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 1999, Vol. 96, No. 8, s. 4396–4401.
  12. Storz G., An Expanding Universe of Noncoding RNAs, „Science” 2002, Vol. 296, No. 5571, s. 1260–1263.
  13. Sun W. i in., Ultra-Deep Profiling of Alternative Spliced ​​Drosophila Dscam Isoforms by Circularization-Assisted Multi-Segment Sequencing , „The EMBO Journal” 2013, tom. 32, nr 14, s. 2029-2038.
  14. Toffler A., ​​Trzecia fala , William Morrow & Co., Inc., 1980, s. 270-284.
  15. Watson JD, Crick FHC, The Structure of DNA , „Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology” 1953, tom. 18, ust. 123-131.
  16. Zahnle K. i in., Najwcześniejsze atmosfery Ziemi , „Cold Spring Harbor Perspectives in Biology” 2010, tom. 2, ust. 10.

Dodaj komentarz



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi