ROZDZIAŁ 1Informacje zawarte w genomie człowieka
Źródło: Tom Grill/Getty Images
Genom dziecka zawiera informacje o jego zdrowiu i wielu innych cechach, jednak wpływ na to, kim jest i kim będzie, ma środowisko, w którym żyje.
Po przeczytaniu rozdziału potrafisz
1.1 Geny i genomy - wprowadzenie
1. Rozróżnić pojęcie genetyki od pojęcia dziedziczenia.
2. Zdefiniować pojęcia genu, eksomu i genomu.
3. Scharakteryzować zagadnienia bioetyki.
1.2 Poziomy genetyki i genomiki
4. Wymienić poziomy genetyki.
5. Wytłumaczyć, jak DNA jest utrzymywany w komórce i jak zapisana jest w nim instrukcja budowy białek.
6. Wytłumaczyć, jak mutacje mogą powodować choroby.
7. Opisać podstawy różnorodności genetycznej.
8. Wytłumaczyć zależności pomiędzy DNA i chromosomami.
9. Rozróżnić cechy mendlowskie i wieloczynnikowe.
10. Wytłumaczyć, w jaki sposób genetyka stanowi podstawę ewolucji.
1.3 Zastosowania genetyki i genomiki
11. Wymienić niektóre z praktycznych zastosowań informacji zawartych w DNA.
12. Opisać, jak informacje zawarte w DNA mogą zostać wykorzystane do identyfikacji osób, wyjaśnienia faktów historycznych oraz pomóc w badaniach biomedycznych.
1.4 Całościowa spojrzenie na genomy
13. Wyjaśnić, w jaki sposób badanie genomów wykracza poza zainteresowania samym człowiekiem.
Z szerszej perspektywy
Genom człowieka to ogromny zbiór informacji zakodowanych w sekwencji elementów składowych cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). Informacja genetyczna wpływa na nasze zdrowie i inne cechy oraz zawiera dane dotyczące naszego pokrewieństwa biologicznego.
Genom Ewy
Rodzi się dziecko. Kropla krwi z pięty noworodka wprowadzana jest do małego urządzenia, które przesyła dane osobowe do elektronicznego systemu danych medycznych. Urządzenie rozszyfrowuje całą sekwencję składowych cząsteczki DNA. Ta informacja to genom Ewy. Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość są zakodowane w podstawowej cząsteczce informacyjnej występującej w naturze, kwasie deoksyrybonukleinowym, inaczej DNA. Jak ta zawarta w DNA informacja będzie wyrażana, może być zależne od wpływu czynników środowiskowych.
Genom Ewy wskazuje na ogólnie dobry genetyczny stan zdrowia. Noworodek ma łagodne zaburzenia krzepnięcia, które podejrzewała już pielęgniarka, zużywając dwa gaziki do zatamowania krwawienia z miejsca nakłucia pięty. Obecność dwóch rzadkich wariantów w genie, którego mutacje powodują wystąpienie mukowiscydozy (ang. cystic fibrosis, CF), wskazuje, że Ewa jest podatna na niektóre infekcje dróg oddechowych i wrażliwa na działanie alergenów, jednak to wiadome już było z wyników badań prenatalnych.
Odziedziczone przez Ewę cechy, które będą się ujawnić w miarę jej dorastania i rozwoju, klasyfikują się w zakresie od interesujących do istotnych. Jej włosy ściemnieją i będą kręcone. Warianty w genach wpływających na rozwój kości wskazują, że będzie miała mały nos, szerokie czoło i wyraziste kości policzkowe. Jeżeli dziecko będzie prawidłowo odżywiane, Ewa będzie tak wysoka jak jej rodzice. Z cech istotnych, Ewa odziedziczyła w genie mutację, której obecność znacznie podnosi ryzyko rozwoju niektórych typów nowotworów. Geny "przewidują" u niej zdrowe serce, ale też możliwość rozwoju cukrzycy, jeżeli nie będzie regularnie ćwiczyć i nie ograniczy spożycia węglowodanów.
Wiele cech trudno przewidzieć ze względu na wpływy środowiskowe, w tym przeżyte doświadczenia. Jaka zatem będzie Ewa? Jaka będzie jej osobowość? Jak inteligentna będzie? Jak będzie reagować na stres? Co będzie ją pasjonować?
Sekwencjonowanie genomu ujawniło również wskazówki co do pochodzenia Ewy, co jest bardzo interesujące dla jej ojca, który był adoptowanym dzieckiem. Występują u niej warianty genowe typowe dla populacji wschodnio-europejskiej, z której pochodzi jej matka, ale także inne pasujące do osób pochodzących z Maroka. Czy to jest dziedzictwo jej ojca? Ewa jest wynikiem doskonałego wymieszania genomów swoich rodziców, otrzymując od każdego z nich połowę materiału genetycznego.
A Ty, czy chciałbyś poznać informacje zawarte w Twoim genomie?
1.1 Geny i genomy - wprowadzenie
Rycina 1.1 Genetyka konsumencka. Testy DNA ujawniają różne typy informacji i mogą zaskakiwaćŹródło: Andriy Popov/Alamy Limited/BEW
Genetyka jest nauką o cechach, zakodowanych w sekwencjach elementów składowych cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) oraz ich zmienności i sposobach przekazywania. Jako jedna z nauk biologicznych, genetyka narodziła się ponad sto lat temu dzięki eksperymentom nad krzyżowaniem roślin, które pokazały, w jaki sposób cechy przekazywane są z pokolenia na pokolenie. Od tamtej pory genetyka przekształciła się z marginalnej dziedziny medycyny zajmującej się rzadkimi chorobami w dziedzinę tworzącą podstawy medycyny precyzyjnej, omówionej w rozdziale 1.3. Celem medycyny precyzyjnej jest zapobieganie chorobom oraz ich leczenie w oparciu o indywidualną zmienność wariantów genowych, ekspozycję na czynniki środowiskowe i styl życia z uwzględnieniem diety oraz aktywności fizycznej. Genetyka pozwala zrozumieć, mechanizmy pojawiania się i rozwoju chorób, a także ocenić ryzyko ich wystąpienia u poszczególnych osób.
W tym stuleciu wiedza genetyczna eksplodowała i dane genetyczne stały się potężnym źródłem informacji o naszej tożsamości, które mogą wyjaśnić naszą przeszłość, pozwolić na postawienie diagnozy i ukierunkowywać leczenie oraz przewidzieć naszą medyczną przyszłość. Genetyka człowieka znajduje zastosowanie w takich dziedzin, jak kryminalistyka, bioetyka, psychologia i historia. Wiele firm oferuje komercyjne testy genetyczne bezpośrednio dla konsumentów. Są to testy, które pozwalają poznać swój DNA poprzez przesłanie do zbadania próbki śliny lub komórek pobranych z wewnętrznej strony policzka (rycina 1.1).
Genetyka nie jest tym samym, co tradycyjna genealogia, która bada relacje rodzinne, a nie dziedziczone cechy. Nowoczesna genealogia genetyczna ustala pokrewieństwo osób oraz pochodzenie ich przodków poprzez zestawienie danych uzyskanych z sekwencjonowania DNA i świadectw materialnych, takich jak dokumenty, stare fotografie, mapy, historie rodzinne czy wspomnienia. W przypadku śledczej genealogii genetycznej naukowcy wykorzystują ogromne bazy danych sekwencji DNA, aby pomagać w rozwiązywaniu spraw kryminalnych.
Dziedziczność to przekazywanie cech i informacji biologicznych między pokoleniami. Cechy dziedziczne mają bardzo szeroki zakres, od zauważalnych cech fizycznych, takich jak piegi czy rude włosy, do wielu aspektów zdrowotnych, obejmujących wystąpienie choroby czy ryzyko rozwinięcia konkretnego schorzenia. Talenty, nawyki, cechy osobowości oraz inne trudne do zdefiniowania cechy mogą wydawać się dziedzicznymi, jeżeli wystąpią u kilku członków rodziny, ale mogą być także wynikiem wpływu współdzielonych czynników środowiskowych. Przypisywanie niektórych cech genetyce, takich jak poczucie humoru czy niegłosowanie w wyborach, jest nadmiernym uproszczeniem. Takie powiązania wynikają raczej ze skojarzeń, a nie z zakodowania tych cech w sekwencji DNA.
Jak wszystkie nauki, genetyka ma swoje własne słownictwo. Niektóre ze specjalistycznych terminów czy wyrażeń, mogą być używane powszechnie, ale faktycznie mają one precyzyjne naukowe definicje. Z drugiej strony określenia z języka genetyki pojawiają się czasami w zwykłych codziennych rozmowach. Na przykład stwierdzenie "Ma to w genach" zazwyczaj oznacza wrodzoną cechę, a nie odnosi się do konkretnej sekwencji DNA. Terminy i pojęcia przestawione w tym rozdziale zostały wyjaśnione i szczegółowo omówione w kolejnych częściach książki. Kluczowe terminy wyróżnione pogrubioną czcionką są zdefiniowane na końcu każdego rozdziału.
Geny pełnią funkcje jednostek dziedziczenia, ponieważ ich kopie przekazywane są z pokolenia na pokolenie. Geny zawierają biochemiczną instrukcję umożliwiającą komórkom - podstawowym jednostkom życia - wytwarzanie określonych białek, które są łańcuchami podjednostek nazywanych aminokwasami. Białka te z kolei decydują o cechach, które tworzą znaczną część naszej osobowości. Gen składa się z długiej cząsteczki DNA, która przekazuje informację poprzez swoją sekwencję, układ czterech typów elementów składowych, które funkcjonują jak alfabet. Większość komórkowego DNA znajduje się w strukturze określanej jako jądro komórkowe.
Całkowity zestaw danych genetycznych, w tym geny kodujące białka i inne sekwencje DNA, stanowi genom charakteryzujący rodzaj organizmu (gatunki). Prawie wszystkie komórki człowieka zawierają dwie kopie genomu. Rozszyfrowana sekwencja pierwszego ludzkiego genomu została opublikowana w 2003 roku, będąc wynikiem wieloletniej współpracy międzynarodowej, co zostało opisane w rozdziale 14. Kiedy w 1990 roku zrodziła się idea zsekwencjonowania ludzkiego genomu, koszt tego przedsięwzięcia oszacowano na około miliard dolarów amerykańskich. Dzisiaj kosztuje to niecałe 200 dolarów, a sekwencję genomu każdy może przechować w aplikacji smartfona. Obecnie także firmy płacą obywatelom za dostęp do ich danych genomowych na potrzeby badań marketingowych i optymalizacji produkcji. Pomimo że miliony ludzi mają zsekwencjonowane swoje genomy, naukowcy ciągle analizują, jakie funkcje pełnią poszczególne geny, jak wchodzą w interakcje i jak odpowiadają na bodźce środowiskowe.
Pierwsze zsekwencjonowane ludzkie genomy reprezentowały dane pojedynczych osób lub były wynikiem złożenia kilku genomów. Następnie naukowcy opublikowali sekwencje genomów grup osób pochodzących z określonych populacji. Obecna sekwencja referencyjna ludzkiego pangenomu stara się objąć wszystkie warianty ludzkiego genomu, tak aby uzyskiwane wyniki badań, w szczególności dotyczące zdrowia, miały zastosowanie dla wszystkich populacji człowieka. Projekt pangenomu człowieka omówiony jest w rozdziale 14.
Tylko około 1 % naszego genomu, zbudowanego z 3,2 miliarda elementów, charakteryzuje białka. To ten niewielki wycinek genomu, określany jako eksom, odpowiedzialny jest za wiele naszych cech i wiele aspektów naszego zdrowia.
Eksom zawiera około 20 325 genów, stanowiących blisko 85 % genomu powiązanego z występowaniem chorób uwarunkowanych genetycznie. Pozostała część genomu kontroluje użycie poszczególnych genów eksomu przez organizm. Przy wysokich kosztach sekwencjonowania genomu, sekwencjonowanie eksomu stało się drogą na skróty w identyfikacji mutacji, które mogłyby tłumaczyć zagadkowe objawy u pacjentów i prowadzić do postawienia diagnozy. Obecnie sekwencjonowanie genomów, w poszukiwaniu diagnozy, jest znacznie szybsze i bardziej dostępne finansowo niż kiedyś, co omówiono w rozdziale 14.1. Analiza i porównywanie genomów stanowią dziedzinę określaną jako genomika.
Genetyka ma bezpośredni wpływ na życie nasze i naszych bliskich, w tym naszych potomków. Zasady genetyki mogą mieć także zastosowanie w polityce, ekonomii, socjologii, antropologii, sztuce, prawie i lekkoatletyce. Stosowanie technik genetycznych konfrontuje nas z koncepcją zysków i ryzyka, uczciwości i równości, a także dotyka najgłębszych uczuć dotyczących pojęcia dobra i zła. Bioetyka jest właśnie dziedziną nauki, której zadaniem jest rozwiązywanie problemów wynikających z wykorzystania nowych technologii genetycznych, w tym stosowania testów, leczenia, a także zachowania prywatności czy dyskryminacji jednostek. Eseje zawarte w tej książce poruszają kwestie bioetyczne.
Pytania o zagadnienia kluczowe 1.1
a. Wykaż różnice pomiędzy genetyką a dziedzicznością.
b. Jaki rodzaj związku chemicznego tworzy gen?
c. Wykaż różnice pomiędzy pojęciami genu, eksomu i genomu.
d. Zdefiniuj pojęcie bioetyki.
1.2 Poziomy genetyki i genomiki
Rycina 1.2 Poziomy genetyki. Genetykę można rozpatrywać na kilku poziomach, od sekwencji par zasad DNA, poprzez geny, chromosomy, genomy, aż do bardziej znanych, jak jednostki, rodziny i populacje
Przekazywanie informacji genetycznej zachodzi na kilku poziomach. Zaczyna się na poziomie molekularnym i rozszerza się do poziomu komórek, tkanek, narządów, poszczególnych osób, rodzin i w końcu do poziomu populacji i ewolucji gatunków.
Instrukcje i informacja: DNA
Cząsteczka DNA przypomina swoim kształtem spiralne schody lub podwójną helisę (rycina 1.2). Te "szyny", czyli kręgosłup DNA, składają się z występujących naprzemiennie grup chemicznych (cukry, reszty fosforanowe), które są takie same we wszystkich cząsteczkach DNA. Dwie nici podwójnej helisy zorientowane są w przeciwnych kierunkach, jak dwa węże kąsające nawzajem swoje ogony. "Stopnie" w podwójnej helisie DNA to pary czterech elementów budulcowych, czyli zasad azotowych: adeniny (A) i tyminy (T) oraz cytozyny (C) i guaniny (G), które wchodzą ze sobą w interakcje (rycina 1.3). Informacja, która jest zawarta i którą przekazuje cząsteczka DNA, to sekwencja zasad A, T, C i G.
Dzięki swojej strukturze chemicznej cząsteczka DNA ma dwie cechy niezbędne, aby być podstawą cząsteczką życia: zawiera informację i może replikować się przy podziale komórki. Informacja zawarta w DNA jest wykorzystywana do wytwarzania określonych białek.
Rycina 1.3 Podwójna helisa DNA. Oznaczenia 5' i 3' wskazują na organizację podwójnej helisy w układzie antyrównoległym - "głowa do ogona". A, C, G i T to zasady azotowe, P - reszta fosforanowa. Zielone pięciokąty przedstawiają reszty cukrowe. Kropki łączące zasady w pary przedstawiają wiązania wodorowe
Podczas replikacji DNA łańcuchy podwójnej helisy ulegają rozpleceniu i rozdzieleniu, a następnie każda połówka buduje nowy "partnerski" łańcuch z wolnych zasad DNA. W ten sposób powstające komórki potomne dziedziczą identyczne kopie genomu podczas podziałów komórkowych. A i T rozpoznają się nawzajem i wiążą ze sobą, podobnie jak C i G. Zasady tworzą pary dzięki tworzeniu połączeń określanych jako wiązania wodorowe.
Transkrypcja jest procesem kopiowania sekwencji części jednej z nici cząsteczki DNA na pokrewny typ cząsteczki, kwas rybonukleinowy (RNA). Cząsteczka RNA zawiera piąty typ zasady azotowej, uracyl (U), zamiast T występującego w DNA. Transkrypcja stanowi etap ekspresji genu. Podczas translacji, każde trzy sąsiadujące zasady w informacyjnym RNA (mRNA) oddziaływają z innym rodzajem RNA, transportującym RNA (tRNA), który działa jak łącznik przynoszący określony aminokwas. Aminokwasy układają się i łączą jak koraliki zatrzaskowe, ostatecznie tworząc białko.
Białka zapewniają wyrażenie cech zakodowanych w genach. Przykład mukowiscydozy (ang. cystic fibrosis, CF) ilustruje, jak brak białka lub jego prawidłowej formy powoduje wystąpienie objawów choroby (rycina 1.4). W przypadku CF jest to białko stanowiące błonowy regulator przewodnictwa związany z mukowiscydozą (ang. cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR). Prawidłowo funkcjonujące białko działa w komórkach wyściełających drogi oddechowe i niektóre inne organy ciała, jak selektywne "wejście". Jeżeli białko nie działa prawidłowo, w drogach oddechowych gromadzi się gęsta wydzielina utrudniająca oddychanie.
Zmiana w genie to mutacja. Zmieniony gen określany jest jako allel lub wariant. Efekt mutacji można zaobserwować na poziomie całego organizmu, gdy jest przyczyną choroby. Rycina 1.5 obrazuje efekt mutacji w CFTR. Zamiana "C" na "T" w sekwencji DNA w specyficznym miejscu genu powoduje wprowadzenie w powstającym białku innego, nietypowego aminokwasu - kwasu asparaginowego, a nie glicyny. Zmienione białko nie może otworzyć się na powierzchnię komórki, co uniemożliwia tworzenie kanałów pozwalających niektórym cząsteczkom soli na opuszczenie komórki. Sól uwięziona w komórce zaburza równowagę poziomu wody w przylegających tkankach, powodując objawy przedstawione na rycinie 1.4. Trudności w oddychaniu i zaburzenia trawienie są objawami mukowiscydozy (patrz Aspekty kliniczne 4.1).
U poszczególnych osób geny kodujące te same białka mogą różnić się nieznacznie na poziomie sekwencji DNA. Zmiany w sekwencji DNA, które różnią allele, powstają w wyniku mutacji, tak więc termin ten jest zarówno rzeczownikiem, jak i czasownikiem. Gdy gen ulegnie mutacji, zmiana jest przekazywana, jeżeli komórka, która ją zawiera, replikuje swój DNA i dzieli się. Jeśli zmiana dotyczy plemnika lub komórki jajowej, które staną się zapłodnioną komórka jajową, zostanie przekazana następnemu pokoleniu.
Niektóre mutacje stanowią przyczynę choroby, podczas gdy inne tylko zmienności pomiędzy osobami, jak np. piegowata skóra. Czasami mutacje pomagają. Na przykład jedna z takich rzadkich mutacji uniemożliwia komórkom produkcję białka powierzchniowego, które wiąże HIV. Osoby z taką mutacją są odporne na infekcję tym wirusem. Wiele zmian w sekwencji DNA nie ma żadnego wpływu na fenotyp, ponieważ nie zmieniają kodowanego białka, tak aby zaburzyć jego funkcje. Są jak drobne błędy ortograficzne w zdaniu, które jednak nie zmieniają jego sensu.
Ciągłe, bardzo długie sekwencje DNA tworzą w komórkach człowieka 23 pary struktur nazywanych chromosomami. Kiedy komórka nie dzieli się, chromosomy pozostają rozwinięte w jądrze. Natomiast kiedy komórka się dzieli, chromosomy zwijają się ciasno, tak że można je, po odpowiednim wybarwieniu, zobaczyć w mikroskopie jako struktury o pałeczkowatym kształcie. DNA w chromosomie jest ciągły i zawiera setki genów wraz z innymi sekwencjami.
Rycina 1.4 Od genu do białka i do pacjenta. (a) Gen kodujący białko CFTR, którego zmieniona forma (mutacja) powoduje wystąpienie mukowiscydozy, jest częścią siódmego pod względem wielkości chromosomu. CFTR zazwyczaj fałdowane jest tak, że tworzy kanał regulujący przepływ składników soli (jonów) do i z komórek wyściełających drogi oddechowe, trzustkę, jelita i inne narządy. (b) Mukowiscydoza powoduje wiele objawów
Źródło: Dane z "Reverse genetics and cystic fibrosis" M.C. Iannuzi i F.S. Collins. American Journal of Respiratory Cellular and Molecular Biology 2:309-316 [1990].
Ludzkie komórki somatyczne (nie rozrodcze) mają po parze każdego z 23 chromosomów, co odpowiada dwóm kompletom informacji genetycznej (genomom). Dwadzieścia dwie z tych 23 par to autosomy, które nie różnią się u osób obu płci. Autosomy ponumerowano od 1 do 22, przy czym nr 1 jest chromosomem największym. Dwa pozostałe chromosomy, X i Y, są chromosomami płci.
U ludzi kobieta ma dwa chromosomy X, a mężczyzna jeden X i jeden Y. Na chromosomie Y znajdują się geny determinujące męskość. Schematy kariotypów nazywane kariogramami przedstawiają pary chromosomów od największych do najmniejszych (rycina 1.6).
Cecha powodowana przez mutacje w jednym genie określana jest jako cecha mendlowska, od nazwiska Grzegorza Mendla, który jako pierwszy opisał wzór dziedziczenia pewnych cech. Większość cech to jednak cechy złożone (wieloczynnikowe) determinowane przez jeden lub więcej genów i czynniki środowiskowe (rycina 1.7). Na przykład mieszkańcy wsi w górach zachodniego Hondurasu ogrzewają swoje domy i gotują przy użyciu pieców opalanych drewnem, które dymią. Osoby z pewnymi wariantami genu CYP1B1 nie mogą przekształcać zawartych w dymie substancji rakotwórczych w nieszkodliwe formy, co zwiększa ich ryzyko zachorowania na raka żołądka.
Im więcej czynników, genetycznych czy środowiskowych, wpływa na wystąpienie cechy lub choroby, tym trudniej przewidzieć ryzyko jej wystąpienia u konkretnego członka rodziny. W przypadku osteoporozy, choroby zaniku tkanki kostnej, można wskazać czynniki mogące doprowadzić do jej rozwoju. Podatność na złamania mogą zwiększać mutacje w kilku genach, ale także palenie papierosów, brak odpowiedniej aktywności fizycznej (ćwiczenia siłowe i oporowe) i dieta uboga w wapń.
W wielu badaniach z zakresu genetyki człowieka identyfikuje się miejsca w genomie, gdzie zasady w DNA są zmienne w populacjach - np. "C" u 98 % populacji, a "A" u pozostałych 2 %. (Takie markery nazywane są skrótowo SNPs od angielskiej nazwy single nucleotide polymorphisms - polimorfizmy pojedynczych nukleotydów). Naukowcy poszukują powiązań (asocjacji) pomiędzy wzorem zmienności SNPs a wystąpieniem schorzeń oraz innych cech. Reklamodawcy wykorzystują te informacje w mniej istotnych sprawach. Na przykład usługa strumieniowego przesyłania muzyki tworzy playlisty (listy odtwarzania utworów - przyp. tłum.) na podstawie osobistych profili SNPs, a firma wynajmująca domy wakacyjne proponuje "podróże po dziedzictwie", odwiedzanie miejsc przodków na podstawie danych DNA klientów.
Rycina 1.5 Mutacja może zmienić białko, powodując objawy. Jeden rodzaj mutacji w genie CFTR powodujący zastąpienie, w określonym miejscu, jednego typu aminokwasu (glicyna) innym (kwas asparaginowy) zmienia kodowane białko w taki sposób, że zamyka rodzaj kanału jonowego (pasaż), umożliwiający wydzielanie
Ciało: komórki, tkanki i narządy
Rycina 1.6 Typowy kariotyp męski Źródło: Zuzanae/Shutterstock
Ludzkie ciało zbudowane jest z około 30 bilionów komórek. Wszystkie komórki somatyczne, z wyjątkiem czerwonych krwinek, zawierają dwie kopie genomu, ale różnią się wyglądem i pełnią różne funkcje, ponieważ wykorzystują tylko część swoich genów. To, które z genów wykorzystują w określonym czasie, zależy od czynników środowiskowych zarówno w organizmie, jak i poza nim.
Podobnie jak Internet, genom zawiera ogromne zasoby informacji, ale tylko część z nich potrzebna jest konkretnej komórce w określonych okolicznościach. Użycie, czyli inaczej ekspresja różnych zestawów genów w celu uzyskania konkretnych białek, prowadzi do różnicowania lub specjalizacji różnych typów komórek. Adipocyt (komórka tłuszczowa - przyp. tłum.) wypełniona jest tłuszczem, a nie białkami kurczliwymi tak jak komórki mięśniowe. Oba typy komórek mają jednak takie same dwa kompletne genomy. Grupy zróżnicowanych komórek łączą się, wchodząc ze sobą w interakcje, ale także ze związkami, które wydzielają, aby stworzyć struktury zwane tkankami. W tabeli 2.1 wymienione są cztery podstawowe typy tkanek: tkanka łączna, nabłonkowa, mięśniowa i nerwowa. Wszystkie razem złożone są z ponad 290 typów komórek.
Tkanki łączą się ze sobą i układają, tworząc narządy połączone w układy narządów. Na przykład żołądek to worek zbudowany z mięśni, który ma także wyściółkę z tkanki nabłonkowej, jest unerwiony tkanką nerwową i zasilany krwią, która jest rodzajem tkanki łącznej. Wiele narządów zawiera rzadkie, niewyspecjalizowane komórki macierzyste. Komórka macierzysta może się dzielić, tworząc inną komórkę macierzystą i komórkę różnicującą się. Komórki macierzyste stanowią rezerwę komórek, umożliwiającą narządom wzrost i naprawę uszkodzeń.
Zależności: od jednostek do rodzin
Dwa terminy pozwalają na rozróżnienie alleli, na te które występują u danej osoby, i alleli które ulegają wyrażeniu (ekspresji). Określenie genotyp odnosi się do zakodowanych w DNA instrukcji (allele występujące u osoby), natomiast fenotyp to dające się opisać cechy, nieprawidłowości biochemiczne czy zaburzenia zdrowia (allele ulegające wyrażeniu u osoby). Następne rozróżnienie alleli opiera się na liczbie ich kopii niezbędnej do wyrażenia fenotypu A. W przypadku allela dominującego, jego efekt jest już widoczny, kiedy występuje w jednej kopii (na jednym chromosomie), podczas gdy allele recesywne muszą być obecne i ulegać ekspresji na obu chromosomach.
Poszczególne osoby w rodzinach są ze sobą genetycznie powiązane. Każda osoba ma w przybliżeniu połowę swoich genów wspólnych z każdym rodzicem, rodzeństwem i potomstwem oraz jedną czwartą z każdym z dziadków. Kuzyni pierwszego stopnia współdzielą jedną ósmą wariantów swoich genów. Wykresy określane jako rodowody przedstawiają strukturę rodziny i wskazują, które osoby odziedziczyły określone cechy. Rycina 1.8 przedstawia, jak zmniejsza się procent wspólnych genów w stosunku do bezpośredniego przodka przy wprowadzaniu nowych genomów przez partnerów poszczególnych krewnych. W ten sposób proporcja genomu, który każdy współdzieli ze swym bezpośrednim przodkiem w poszczególnych pokoleniach, obniża się o połowę.
Szersze spojrzenie: od populacji do ewolucji
a)
b)
Rycina 1.7 Cechy mendlowskie a cechy złożone. (a) Polidaktylia - dodatkowe palce u rąk i nóg - jest cechą mendlowską (pojedynczy gen). (b) Muzykalność, naturalna zdolność do grania lub tworzenia muzyki, jest cechą złożoną (zwaną także wieloczynnikową), uwarunkowaną przez geny kontrolujące działanie połączeń określonych komórek mózgowych oraz wpływy środowiska, takie jak możliwość wzięcia lekcji muzyki lub gry w zespole, lub orkiestrze Źródło: (a): Alamy Limited/BEW (b): clam-lo/Pexels
Wyższym poziomem organizacji materiału genetycznego niż rodzina jest populacja. W czysto biologicznym ujęciu populacja to grupa jednostek, które mogą mieć wspólne zdrowe potomstwo. W ujęciu genetycznym populacja to duży zbiór alleli różniących się częstością występowania. Na przykład osoby z populacji szwedzkiej będą charakteryzowały się większą częstością alleli determinujących jasne włosy i skórę niż osoby z populacji nigeryjskiej, o tendencji do występowania ciemnych włosów i skóry. Wszystkie allele w populacji stanowią pulę genową. (Poszczególne osoby nie mają puli genowej).
Genetyka populacyjna znajduje zastosowanie w ochronie zdrowia, kryminalistyce, ale także innych dziedzinach. Jest również podstawą ewolucji, definiowanej jako zmiana występowania częstości alleli w populacjach. Zmiany genetyczne zachodzące w populacjach na małą skalę leżą u podstaw różnic gatunkowych, które najczęściej kojarzymy z ewolucją.
Porównanie sekwencji poszczególnych genów lub sekwencji aminokwasowej białek przez nie kodowanych może wykazać, w jakim stopniu spokrewnione są poszczególne rodzaje organizmów. Zakłada się, że im bardziej podobne są sekwencje DNA dwóch gatunków, tym krótszy jest czas ich wyodrębnienia się od wspólnego przodka i bardziej są one ze sobą spokrewnione. Jest to bardziej prawdopodobne wyjaśnienie niż to, że istnieją dwa gatunki, u których przypadkowo wyewoluowały podobne lub identyczne sekwencje genów. Taką samą logikę rozumowania można zastosować do wzorów dziedziczenia cech w rodzinie. Bardziej prawdopodobne jest, że brat i siostra dzielą się w przybliżeniu połowę swoich wariantów genowych, ponieważ mają tych samych rodziców niż to, że połowa ich genomów jest identyczna przez przypadek.
Więcej informacji jest dostępnych w sekwencjach całych genomów niż w pojedynczych genach. Ludzie i szympansy na przykład dzielą więcej niż 98 % sekwencji DNA. Nasze genomy różnią się głównie organizacją genów i liczbą ich kopii. Poznanie funkcji genów specyficznych dla człowieka może wyjaśniać różnice między nami a szympansami - jak nasze słabe owłosienie ciała i posługiwanie się językiem mówionym. Rycina 17.16 podkreśla niektóre z naszych typowo ludzkich cech.
Rycina 1.8 Część genomu (procenty) dzielona z krewnymi. Procent sekwencji DNA, którą dana osoba dzieli z przodkami, zmniejsza się o połowę w każdym kolejnym pokoleniu
Na poziomie genomu jesteśmy znacznie bardziej do siebie podobni genetycznie niż inne ssaki. Szympansy różnią się między sobą bardziej niż my! Najbardziej genetycznie różnorodni współcześni ludzie pochodzą z Afryki, gdzie powstała ludzkość.Warianty genów wśród różnych współczesnych grup etnicznych obejmują podzbiory naszej wspólnej afrykańskiej puli genów.
Pytania o zagadnienia kluczowe 1.2
a. Wymień poziomy informacji genetycznej.
b. Wytłumacz, jak DNA przenosi i utrzymuje informację genetyczną.
c. Wymień zasady azotowe wchodzące w skład DNA.
d. Wytłumacz, jak mutacje mogą powodować choroby.
e. Zdefiniuj pojęcie alleli.
f. Nazwij dwa typy chromosomów.
g. Rozróżnij cechy o dziedziczeniu mendlowskim i złożonym.
h. Zdefiniuj pojęcie ekspresji genu.
i. Rozróżnij fenotyp od genotypu; dominację od recesywności.
j. Zdefiniuj pojęcie puli genowej.
k. Wytłumacz, w jaki sposób porównanie sekwencji DNA może wyjaśnić zależności ewolucyjne.
1.3 Zastosowania genetyki i genomiki
Genetyka wpływa na wiele aspektów naszego życia, począwszy od wyborów dotyczących tego, co jemy, naszego zdrowia, do wyjaśnienia naszej przeszłości i kierowania naszą przyszłością. Wolontariusze w ramach nauki obywatelskiej poznają swoje dane, pomagając naukowcom w opracowaniu baz danych, co pozwoli na przyspieszenie rozwoju nowych testów diagnostycznych i metod leczenia. Nawet fragmenty cząsteczek kwasów nukleinowych są wykorzystywane jako narzędzia. Na przykład kilka szczepionek przeciw COVID-19 opiera się na cząsteczkach DNA i RNA kodujących informacje o białkach wirusa wywołującego chorobę, które rozpoznawane są przez układ odpornościowy (patrz Aspekty kliniczne 10.1).
Zastanawianie się nad problemami genetyki wywołuje strach, nadzieję, złość, zadziwienie i rozpacz zależnie od kontekstu i okoliczności. Poniżej przedstawiono kilka zastosowań wykorzystania informacji DNA, a następnie krótko opisano funkcje/użycie genetyki i genomiki, które zostaną opisane szczegółowo w następnych rozdziałach:
- przewidywanie okresu przydatności do spożycia owoców i warzyw, wykrywanie zepsutego mięsa, identyfikacja alergenów i określenie stopnia fermentacji sera;
- identyfikacja ofiar handlu ludźmi w centrach imigracyjnych, poprzez porównanie DNA wytypowanych ofiar do DNA zainteresowanych krewnych;
- wykrywanie mutacji chorobotwórczych lub nieprawidłowości chromosomowych u płodu na podstawie analizy jego DNA znajdującego się we krwi ciężarnej;
- identyfikacja chorego zwierzęcia na podstawie badania próbek kału u weterynarza;
- przeprowadzanie szybkiej diagnostyki bakteryjnych chorób zakaźnych na polach bitwy lub w domu;
- stworzenie drzewa życia przedstawiającego powiązania wszystkich gatunków;
- selekcja materiału uprawnego i zwierząt;
- wybór osób do randkowania;
- identyfikacja przestępców poprzez porównanie DNA z miejsca przestępstwa do DNA podejrzanego i DNA jego krewnych, którzy udostępnili swoje dane w publicznych genetycznych bazach genealogicznych;
- wykrywanie niewielkich ilości DNA w futrze, piórach i odchodach rzadkich lub zagrożonych gatunków, w celu zsekwencjonowania genomów i poszerzenia wiedzy o nich.
Ustalanie tożsamości
Porównanie sekwencji DNA poszczególnych osób może pozwolić na ustalenie ich tożsamości, pokrewieństwa lub pochodzenia, jak również wskazać prawdopodobieństwo, że dwie osoby są ze sobą spokrewnione. Przesłanką takich analiz jest założenie, że im bliżej osoby są spokrewnione, tym więcej sekwencji DNA współdzielą.
Profilowanie DNA odnosi się do technik, analiz statystycznych oraz zastosowania uczenia maszynowego, które są używane do porównywania sekwencji DNA pomiędzy jednostkami i grupami jednostek. Termin ten obejmuje różne zastosowania, jednak najczęściej używany jest w odniesieniu do badań kryminalistycznych, których zadaniem jest zebranie fizycznych dowodów przestępstwa. Porównanie DNA zebranego na miejscu zbrodni do próbek DNA osób podejrzanych często prowadzi nie tylko do skazania, lecz także do cofnięcia błędnie wydanych wyroków skazujących opartych na użyciu innych form dowodów.
Profilowanie DNA jest również przydatne w identyfikacji ofiar klęsk żywiołowych, takich jak gwałtowne burze i trzęsienia ziemi. W szczęśliwszych okolicznościach profile DNA przechowywane w bazach danych pomagają osobom adoptowanym w odnalezieniu krewnych, a dzieciom dawców nasienia w poszukiwaniu biologicznych ojców oraz przyrodniego rodzeństwa. Rozdział 18 przedstawia problemy genetyki tożsamości.
Innym zastosowaniem profilowania DNA jest analiza żywności, ponieważ żywność produkowana jest z organizmów posiadających sekwencje DNA specyficzne dla danego gatunku. Analiza sekwencji DNA ujawniła obecność koniny w klopsikach sprzedawanych w sieci restauracji, tanie ryby sprzedawane jako odmiany dla smakoszy i obecność robaków w puszkach sardynek.
Pouczająca historia
Analiza DNA to jak wykorzystanie swego rodzaju wehikułu czasu. Może łączyć przeszłość z teraźniejszością, od określenia relacji rodzinnych do ustalenia pochodzenia geograficznego określonych populacji. Dowody z analizy DNA czasami potwierdzają ustalenia z badań antropologicznych i historycznych, a czasem im zaprzeczają.
Analiza DNA potwierdziła, że Thomas Jefferson miał dzieci z niewolnicą Sally Hemings. Prezydent przebywał razem z panią Hemings 9 miesięcy przed urodzeniem się każdego z jej siedmiorga dzieci, a dzieci były do niego podobne. Męscy potomkowie Sally Hemings oraz męscy krewni prezydenta mają wspólną nietypową sekwencję chromosomu Y. Jedyny syn prezydenta i jego żony zmarł w niemowlęctwie, tak że sekwencję prezydenckiego chromosomu Y naukowcy ustalili na podstawie danych potomków jego wuja. Dzisiaj ta wielopokoleniowa rodzina organizuje wspólne zjazdy (rycina 1.9).
Badania DNA mogą dostarczyć informacji na temat przeszłych epidemii. Na przykład analiza DNA mumii faraona Tutanchamona, zmarłego w wieku 19 lat w 1323 roku p.n.e. wykazała obecność DNA mikroorganizmu wywołującego malarię. Słynny król-młodzieniec zmarł prawdopodobnie z powodu powikłań wywołanych malarią po złamaniu osłabionych chorobą kości nogi, a nie jak myślano od kopnięcia konia, upadku z rydwanu czy zdradzieckiego morderstwa. W jego grobowcu znajdowała się laska i lekarstwa, co uprawdopodabnia postawioną na podstawie analizy DNA diagnozę malarii.
Biobanki
Medycznie przydatne informacje genetyczne pochodzą z badań dużych populacji, a także z analiz genów czy genomów poszczególnych osób i rodzin. W biobanku przechowywane są próbki biologiczne lub sekwencje DNA i informacje o cechach, narażeniu na toksyny oraz nawykach, które mogą mieć wpływ na stan zdrowia. Może on rejestrować ekspozycje na czynniki środowiskowe, takie jak toksyny albo zanieczyszczenie, nawyki sportowe i dietetyczne, kontakt z patogenami, takimi jak wirusy i bakterie, i gatunkami mikroorganizmów żyjących w i na ciele człowieka, określanymi jako mikrobiom.
Wykorzystanie danych biobanku w celu identyfikacji wspólnych wariantów genowych identyfikowanych u osób z określonym schorzeniem może mieć wpływ na rozwój testów diagnostycznych i terapii. Biobanki przechowujące materiał biologiczny, taki jak komórki czy DNA, istnieją od lat 50. XX wieku, wiele z nich afiliowanych jest przy szpitalach lub dużych centrach medycznych. Ułatwia to przechowywanie próbek klinicznych, jak np. szkiełka mikroskopowe z materiałem z biopsji nowotworów. Termin biobank populacyjny wszedł do szerokiego użycia w 1998 roku, kiedy w ramach islandzkiego projektu rządowego deCODE Genetics, rozpoczęto przechowywanie oraz analizę sekwencji DNA i danych genealogicznych dla wszystkich obywateli. Początkowo osoby spoza Islandii protestowały przeciw wykluczeniu niektórych obywateli, jednak prace w ramach projektu doprowadziły do odkrycia wielu genów powiązanych z chorobami, przyspieszając rozwój terapii.
Obecnie setki biobanków przechowują materiał biologiczny i udostępniają naukowcom dane dotyczące DNA. Zastosowania są tu różnorodne. Biobank w Indiach kolekcjonuje próbki nowotworów od pacjentów z rakiem płuc i koreluje obecność mutacji z odpowiedzią na określoną terapię. EuroBioBank składa się z 25 placówek w 11 krajach, które świadczą usługi udostępniania próbek DNA i komórek do badań nad setkami rzadkich chorób genetycznych.
Rycina 1.9 DNA ujawnia i wyjaśnia historię. Po tym, jak dowody oparte na analizie DNA wykazały, że Thomas Jefferson był prawdopodobnie ojcem dzieci niewolnicy Sally Hemings, potomkowie obu stron rodziny spotkali się i kontynuują ten zwyczajŹródło: Leslie Close/AP Photo
Największym biobankiem jest UK Biobank, który przechowuje dane dotyczące ponad 500 000 osób w wieku od 40 do 69 lat. Obejmują one 200 000 sekwencji całogenomowych, 450 000 całoeksonowych i wzorce prawie miliona SNPs; dane demograficzne, informacje na temat diety, stylu życia i poziomu aktywności fizycznej, biomarkery chorób z krwi, śliny i próbek moczu; oraz różnego typu danych obrazowania serca i mózgu.
Założony w 2007 roku UK Biobank przez pierwszą dekadę gromadził dane dotyczące prawie wyłącznie białych Europejczyków. Od 2014 roku podjęto wysiłki, aby reprezentował różne populacje człowieka. W ramach projektu All of Us (Każdy z nas) realizowanego w Stanach Zjednoczonych od 2018 roku, podjęto na przykład próbę włączenia osób o różnym pochodzeniu. Biobanki korzystają z systemu przetwarzania danych w chmurze w celu ułatwienia współpracy. Różnorodność w biobankach jest niezwykle istotna. Wariant genowy związany z występowaniem choroby w jednej populacji może nie wskazywać na zwiększone ryzyko jej wystąpienia w innych grupach etnicznych, co jest wynikiem wpływu innych genów i/lub czynników środowiskowych. Wiele danych wykorzystywanych w projekcie ludzkiego pangenomu, omawianego w rozdziale 14, pochodzi właśnie z kolekcji biobanków.
Medycyna precyzyjna
Medycyna precyzyjna w systemie opieki zdrowotnej reprezentuje podejście wykorzystujące informacje zawarte w DNA do wybrania najefektywniejszego sposobu leczenia konkretnego pacjenta dla zdiagnozowanej choroby oraz o jak najmniejszych, nietolerowanych skutkach ubocznych. Farmakogenetyka odnosi się do takiego podejścia w przypadku doboru leków przepisywanych pacjentowi (patrz tab. 22.3). W Stanach Zjednoczonych Agencja Żywności i Leków (ang. Food and Drug Administration, FDA) zatwierdziła już ponad 250 leków, które przepisywane są osobom o specyficznych genotypach. Przykładem zastosowania medycyny precyzyjnej są "ukierunkowane" leki przeciwnowotworowe, wiążące się ze specyficznymi cząsteczkami, które są unikalne lub występują częściej na powierzchni komórek nowotworowych.
Podejście farmakogenetyczne jest ukierunkowane na jednostkę, ale może również uwzględniać dane populacyjne, takie jak częstość alleli charakterystyczną dla określonych grup ludności. Takie podejście może pomóc w przeciwdziałaniu dysproporcjom w zakresie opieki zdrowotnej poprzez identyfikację osób obarczonych większym ryzykiem ze względu na ich cechy biologiczne. Przykładowo w jednym badaniu wykazano, że w przypadku 11 genów metabolizmu kilku leków u Latynosów i ludności rdzennej Stanów Zjednoczonych występuje pięciokrotnie wyższe ryzyko posiadania alleli zmieniających metabolizm leków niż u osób pochodzenia europejskiego. Na podstawie takiej wiedzy lekarz może przepisać skuteczniejszy lek, biorąc pod uwagę populację, z której pacjent pochodzi.
Modyfikacje genetyczne
Określenie modyfikacja genetyczna oznacza zmianę genu lub genomu w sposób niewystępujący w naturze, tak jak na przykład dołożenie marchwi genu z zielonej fasoli, który nie jest nigdy częścią genomu marchwi. W tradycyjnym rolnictwie i hodowli zwierząt nie powstają "organizmy genetycznie zmodyfikowane" (ang. genetically modified organisms, GMO), bo ten model skupia się na selekcji cech w obrębie jednego gatunku.
W opiece zdrowotnej organizmy GMO - bakterie z wprowadzonymi ludzkimi genami już od lat 70. XX wieku dostarczają wielu leków, takich jak insulina i czynniki krzepnięcia. Rośliny uprawne są modyfikowane genetycznie, aby były łatwiejsze w uprawie, zdolne do wzrostu w obecności herbicydów i pestycydów, a jedzenie z nich produkowane bardziej pożywne. W Stanach Zjednoczonych ponad 93 % upraw kukurydzy, soi i bawełny to rośliny GMO. Jednakże nie wszystkie produkty GMO się sprawdziły. Na przykład pomidor "FlavrSavr" został zmodyfikowany genetycznie, tak aby miał dłuższy okres przydatności do spożycia, ale okazało się, że ma okropny smak!
Żywność GMO nie jest niebezpieczna dla zdrowia ludzi, chyba że mamy do czynienia z uczuleniem na substancje wytwarzane przez jeden gatunek, pojawiające się u gatunków, u których nie powinny być naturalnie obecne. Uprawa roślin GMO może mieć jednak wpływ na środowisko. Wiatr może roznieść pyłek roślin GMO dalej, niż zakładano. Nasiona zmodyfikowane są tak, że kiełkują tylko w określonych warunkach lub wcale, co zmusza drobnych farmerów i ogrodników do zakupu nasion każdej wiosny.
Genetycznie zmodyfikowane rośliny uprawne i lekarstwa dostępne są od lat. Powstały z pomocą technologii rekombinacji DNA pozwalającej dodać gen innego gatunku. Nowsza technologia, edycja genomu, jest bardziej specyficzna i ma większy potencjał. Z jej zastosowaniem można wymienić, usunąć czy dodać specyficzne geny w komórkach dowolnego organizmu. Procedury edycji genomu rozwijane są na potrzeby rolnictwa i służby zdrowia. Jednakże użycie tej technologii do edycji genomu ludzkich gamet (plemniki, komórki jajowe) lub zapłodnionych komórek jajowych budzi kontrowersje, ponieważ w ten sposób można stworzyć genetycznie zmodyfikowanego człowieka, z dziedziczną zmianą w sekwencji DNA, która przekazana zostałaby następnym pokoleniom. Kolejnym kontrowersyjnym wykorzystaniem edycji genomu jest doprowadzenie do wymarcia szkodników, takich jak komary przenoszące mikroorganizmy, które powodują malarię.
Najczęściej przywoływanym narzędziem do edycji genomów jest CRISPR-Cas9, ale podobne technologie stosowane są już od 2009 roku. Wykorzystywane są w nich enzymy, które przecinają obie nici podwójnej helisy DNA w konkretnym miejscu, umożliwiając wstawienie wybranej sekwencji DNA. Możliwości związane z zastosowaniem edycji ludzkiego genomu dyskutowane są od lat 80. XX wieku.
Sekwencjonowanie eksomu i genomu
Sekwencjonowanie eksomu określa układ zasad w DNA we wszystkich częściach genomu, kodujących białka (eksonach genów - przyp. tłum.), co stanowi mniej około 1,5 % sekwencji całego genomu. Zarówno sekwencjonowanie eksomu, jak i genomu są dobrym podejściem, gdy analiza mutacji w poszczególnych genach oraz analiza chromosomów nie wyjaśniły przyczyny występowania objawów u badanej osoby. Porównanie sekwencji eksomu czy genomu do danych z baz, które katalogują wiele wariantów genowych (alleli) i ich powiązań, pozwala na znaczne zawężenie możliwości i zdiagnozowanie choroby.
Zastosowane sekwencjonowania eksomu i genomu pozwala na diagnozę bardzo rzadkich chorób nawet w kilka godzin (niestety nie jest to obecnie możliwe - przyp. tłum.). Zanim te technologie stały się powszechnie dostępne, diagnozowanie chorób rzadkich mogło trwać latami. Testy te są szczególnie cenne w przypadku badań wykonywanych z kropli krwi z pięty noworodków, umożliwiając rozpoczęcie leczenia niektórych chorób przed wystąpieniem pierwszych objawów. W Anglii realizowany jest projekt sekwencjonowania genomu 200 000 noworodków, w celu oceny wartości diagnostycznej takiego podejścia. W Stanach Zjednoczonych sekwencjonowania eksomowe i genomowe wykonywane są u dzieci z nietypowymi kombinacjami objawów w celu przyśpieszenia diagnozy, co w innym przypadku mogłoby zająć lata. W rozdziale 14 omówiono niektóre z tych przypadków.
Pytania o zagadnienia kluczowe 1.3
a. Zdefiniuj pojęcie profilowania DNA.
b. Wytłumacz, w jaki sposób testy DNA mogą poszerzyć naszą wiedzę historyczną.
c. Opisz, jak wykorzystywane są informacje gromadzone w biobankach.
d. Co to jest medycyna precyzyjna?
e. Wykaż różnice pomiędzy tradycyjną hodowlą a modyfikowaniem genetycznym.
f. Przedyskutuj problem, jak sekwencjonowanie eksomu i genomu może przyspieszyć diagnostykę chorób rzadkich.
1.4 Całościowe spojrzenie na genomy
Dzielimy planetę z tysiącami innych gatunków. Nie znamy jednak wielu mieszkańców ziemi, ponieważ nie możemy obserwować ich siedlisk, lub nie jesteśmy w stanie hodować ich w laboratoriach. Metagenomika to dziedzina, która opisuje większość niewidzialnego świata ożywionego poprzez sekwencjonowanie DNA w całym siedlisku, takim jak gleba, jelito owadzie, śmieci, siedzenie autobusu czy próbki powietrza przechwycone nad miastem. Wstęp rozdziału 9 opisuje środowiskowy DNA (ang. enviromental DNA, eDNA) otrzymany z próbek powietrza wokół ZOO, w odchodach hipopotama w jeziorze, i z jaskiń zamieszkiwanych niegdyś przez człowieka neandertalskiego. Badania metagenomiczne pokazują, jak gatunki oddziałują na siebie, mogą również dostarczyć informacji przydatnych w opracowywaniu nowych leków lub źródeł energii.
Naukowcy zbierają i sekwencjonują próbki DNA, a następnie porównują uzyskane dane z informacjami z baz danych znanych genomów, w celu ustalenia podobieństw do znanych gatunków. Pierwszy projekt metagenomiczny opisywał formy życia w Morzu Sargassowym. Uważano, że ten obszar u wybrzeża Bermudów, o powierzchni 2 milionów mil kwadratowych, pozbawiony jest życia pod grubą warstwą morskich wodorostów, które są tam tak obfite, że gdy statki Krzysztofa Kolumba natrafiły na nie, uznał on, że dopłynął do lądu. Morze Sargassowe, a szczególnie obszar nazywany Trójkątem Bermudzkim, to miejsce wielu niewyjaśnionych zaginięć statków. Naukowcy z materiału pobranego z głębin uzyskali ponad miliard cząsteczek DNA, reprezentujących około 1800 gatunków drobnoustrojów i zidentyfikowali ponad milion nieznanych genów.
Interesującym obiektem badań metagenomicznych jest ciało ludzkie będące siedliskiem dla milionów bakterii. W podrozdziale 2.5 omówiony jest ludzki mikrobiom, zbiór życia w nas.
Podejmowane są wysiłki w celu ograniczenia "poszukiwań genetycznych", rozumianych jako gromadzenie DNA organizmów unikalnych dla danego kraju, które mają potencjalne zastosowanie przemysłowe. Są to mikroorganizmy, które dostarczają antybiotyki i enzymy. Zgodnie z międzynarodowym porozumieniem określanym jako Protokół z Nagoi (ang. Nagoya Protocol) w bazach danych przechowywane są zdigitalizowane sekwencje DNA użytecznych gatunków. Za uzyskanie dostępu do tych danych kraje, z których mikroorganizmy pochodzą, pobierają opłaty licencyjne. Środki zebrane w ten sposób wykorzystywane są do zachowania tam bioróżnorodności. W większości są to kraje rozwijające się. Przykładem takiej ochrony jest słodzik stewia, który otrzymywany jest z rośliny rodzimej dla Paragwaju i Brazylii. Kiedy producenci żywności i napojów ekstrahują i zagęszczają stewię na skalę przemysłową, farmerzy w rodzimych krajach stewii tracą rynki zbytu dla swoich słodkich liści. Protokół chroni społeczności tubylcze i ich wiedzę o naturalnych zasobach biologicznych.
Genetyka jest szczególną gałęzią nauki o życiu, ponieważ dotyczy bezpośrednio nas i naszych bliskich. Równy dostęp do testów genetycznych i terapii, niewłaściwe wykorzystanie informacji genetycznej i nadużycie genetyki do celowego wyrządzenia szkody to istotne społecznie zagadnienia towarzyszące postępowi naukowemu.
Genetyka i genomika są rozwijającymi się technologiami, które pozwolą na poprawę jakości życia. Jednak badania i terapie są kosztowne i nie są dostępne powszechnie, szczególnie jeżeli są to terapie nowe. Nie każdego stać na wykonanie badań genetycznych bądź zsekwencjonowanie genomu lub eksomu. Kwestie równości genetycznej są więc skomplikowane. W krajach, gdzie wiele małych dzieci umiera od chorób infekcyjnych, przeprowadzanie przesiewu noworodkowego chorób rzadkich wydaje się niepraktyczne. Choroby genetyczne osłabiają jednak organizm, tak że chorzy stają się bardziej podatni na choroby infekcyjne, którymi mogą zarazić się od innych.
Uznając, że informacja zawarta w ludzkim genomie, koniec końców może być korzystna dla każdego, instytucje, takie jak Organizacja Narodów Zjednoczonych (ang. United Nations, UN), Światowa Organizacja Zdrowia (ang. World Health Organization, WHO) i Bank Światowy (ang. World Bank), debatują nad możliwościami współdzielenia nowych testów diagnostycznych, szczepionek i leków powstających na bazie danych genetycznych naszych i naszych patogenów. Testy genetyczne stosowane są jednak nie tylko dla celów zdrowotnych. Bioetyka jest dziedziną, która zajmuje się przypadkami, gdy testy genetyczne mogą dotyczyć prywatności badanych.
Pytania o zagadnienia kluczowe 1.4
a. Zdefiniuj pojęcie metagenomiki.
b. Opisz problemy społeczne, które powstały przez powstanie nowych technologii opartych na genetyce.
Bioetyka
Prywatność genetyczna i puszka Pandory
Bioetyka jest dziedziną, która powstała w latach 50. XX wieku w celu rozwiązania problemów powstałych w konsekwencji eksperymentów medycznych prowadzonych podczas II wojny światowej[1]. Bioetyka początkowo koncentrowała się na kwestiach świadomej zgody, paternalizmu, autonomii, podziale ograniczonych zasobów medycznych, sprawiedliwości oraz definicji życia i śmierci. Obecnie dziedzina ta obejmuje ponadto medycynę i biotechnologię oraz dylematy, jakie ze sobą niosą. Testy genetyczne są kluczowym tematem w bioetyce ze względu na informacyjny charakter, wpływający na kwestie prywatności. Ustalenia dotyczące jednej osoby mogą mieć wpływ na krewnych badanego. Popularność testów komercyjnych oraz łatwość dostępu do prywatnych danych mają zarówno wpływ negatywny, jak i pozytywny (rycina 1A).
Rycina 1A Prywatność genetyczna. Jak możemy chronić dane pochodzące z sekwencji DNA? Źródło: Jane Ades/National Human Genome Research Institute
Kwestie prywatności genetycznej wynikające z możliwości wykonania testów ewoluowały. Jednymi z pierwszych, którzy dowiedzieli się o swoim "bagażu genetycznym", byli studenci genetyki i medycyny, badający możliwości wykorzystania w opiece nad pacjentem informacji uzyskanych z własnych eksomów czy genomów. Jednym z pierwszych przykładów zagrożeń, jakie mogą wynikać z przeprowadzania testów DNA, był eksperyment, który miał miejsce na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley na początku semestru zimowego w 2010 roku. Nowo przyjęci studenci wraz z harmonogramem zajęć i przydziałami akademików dostali zestawy do pobrania materiału do izolacji DNA w celu analizy trzech genów kontrolujących trzy rzekomo nieszkodliwe cechy. Udział w badaniu był dobrowolny, a ponieważ celem było zgromadzenie danych, nie wymagano deklaracji świadomej zgody. Jednakże po protestach grup genetyków, bioetyków, analityków i konsumentów Departament Zdrowia Publicznego wydał oświadczenie, że badanie to dostarczy osobistych danych medycznych i że testy powinny być wykonywane w licencjonowanych laboratoriach medycznych. Ze względu na pięciokrotny wzrost kosztów badania uniwersytet zmienił jego założenia, zbierając dane zagregowane, a nie dane indywidualne.
Trzy zaplanowane do przeprowadzenia testy genetyczne miały na celu wykrycie nietolerancji laktozy oraz ocenę metabolizmu alkoholu i kwasu foliowego. W przypadku testu dotyczącego metabolizmu alkoholu wykrywa on warianty genu, które powodują zaczerwienienie twarzy, nudności i kołatanie serca po wypiciu alkoholu, szczególnie u osób pochodzących z Azji Wschodniej, a stanowiących istotną grupę pierwszoroczniaków. Obecność określonych wariantów w tym genie zwiększa ryzyko zachorowania na raka przełyku. Tak więc wykonanie testu może być przydatne, może być jednak również zachętą do picia.
Osiem lat po nieudanym programie testowania genów w Berkeley problem prywatności genetycznej niespodziewanie podniesiono w kwestii wykorzystania publicznych baz danych DNA w przypadku zatrzymania seryjnego mordercy określanego mianem Golden State Killer. Człowieka, który w latach 1976-1986 w miastach w Kalifornii zabił co najmniej tuzin osób, a zgwałcił ponad 50. W tej sprawie specjaliści kryminalistyki poszukiwali osoby spokrewnionej z podejrzanym, która mogła mieć zdeponowane dane DNA w bazach danych firm komercyjnych przeprowadzających testy genetyczne, a bardzo popularnych w tamtym okresie. Jednakże, kiedy firmy odmówiły udostępnienia tych danych bez nakazu sądowego, policja wykorzystała GEDmatch, stronę internetową, na której dobrowolnie umieszczają swoje dane genetyczne osoby chcące dowiedzieć się o istnieniu krewnych, o których nie wiedzą. Śledczy porównali sekwencje DNA milionów ludzi, którzy umieścili je na GEDmach do śladów DNA pobranych ze śmieci z miejsca zbrodni, a uważanych za pochodzące od sprawcy. Trafienie na dalekiego krewnego doprowadziło szybko do identyfikacji i aresztowania podejrzanego sprawcy.
Wkrótce podobne dopasowania profili DNA doprowadziły do rozwiązania innych niewyjaśnionych spraw o morderstwo (ang. cold cases).
Tymczasem, w miarę zwiększania się liczby testów wykonywanych w celu identyfikacji pochodzenia badanych, pojawiły się problemy związane z prywatnością genetyczną. O ile niektórzy byli zachwyceni, dowiadując się, że są dalekimi krewnymi Elvisa Presleya czy Abrahama Lincolna, inni odkrywali sekrety rodzinne głównie dotyczące biologicznego pokrewieństwa, na przykład błędnie przypisanego ojcostwa (ang. not parent expected, NPE). Osoby, które myślały, że są rodzeństwem, stwierdzały, iż są rodzeństwem przyrodnim, a inni dowiadywali się w późnym wieku, że mają rodzeństwo przyrodnie, o którym nigdy nie słyszeli. Takie odkrycia przywoływały pytania o adopcję, wielu partnerów, gwałty i donację spermy. Reakcje na takie wiadomości były różne, od radości z odkrycia nowych członków rodziny do złości w związku z zaistniałymi okolicznościami i tajemnicami rodzinnymi - lub obiema naraz. W rozdziale 18 przedstawione są konsekwencje otrzymania niespodziewanych wyników badań DNA.
Ze względu na ogromną ilość informacji w 3 miliardach elementów składowych DNA ludzkiego genomu oraz możliwości szybkiego określenia sekwencji identyfikacja poszczególnych osób stała się łatwiejsza. Do rozróżnienia dwóch osób wystarczy porównanie 400 miejsc w genomie - SNPs (polimorfizmów pojedynczych nukleotydów - przyp. tłum.). Ludzie zdradzają te prywatne informacje, naciskając przycisk "akceptuję" podczas rejestracji online na wykonanie testu genetycznego. Utrzymanie prywatności genetycznej może stać się jeszcze trudniejsze w nadchodzących latach.
Pytania do dyskusji
1. Dlaczego sprzeciwiano się testom, o których wykonanie proszono studentów w Berkeley w 2010 roku?
2. W jakich okolicznościach, jeżeli w ogóle, agencje rządowe powinny wymagać testów DNA?
3. Jakie są za i przeciw wykonywania testów genetycznych studentom biorącym udział w zajęciach?
4. Omów problem różnych reakcji osób, które dowiedziały się o innym statusie pokrewieństwa, niż zakładały, w stosunku do określonych członków rodziny lub osób, które dowiedziały się, że są przyrodnim rodzeństwem.
Przewodnik do nauki
Podsumowanie
1.1. Geny i genomy - wprowadzenie
1. Genetyka jest dziedziną nauki badającą cechy dziedziczne i ich zmienność na poziomie sekwencji kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). Genealogia genetyczna bada pokrewieństwo między ludźmi. Dziedziczność to pojęcie odnoszące się do przekazywania cech.
2. Geny stanowią instrukcję do wytwarzania białek, które określają odziedziczone cechy. Geny stanowią fragmenty DNA.
3. Genom stanowi kompletny zestaw informacji genetycznej. Komórka będąca podstawową jednostką życia zawiera w swoim jądrze dwie kopie genomów. Eksom jest częścią genomu, która koduje białko. Genomika porównuje i analizuje funkcje wielu genów.
4. Bioetyka zajmuje się problemami i konfliktami, które pojawiają się w wyniku stosowania technologii medycznej i wykorzystania danych genetycznych.
1.2. Poziomy genetyki i genomiki
5. Sekwencje zasad azotowych w genach kodują białka. Zasadami występującymi w DNA są adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T). W cząsteczkach kwasu rybonukleinowego zamiast tyminy jest uracyl (U). Replikacja DNA utrzymuje informację genetyczną. Transkrypcja, określana również jako ekspresja genu, jest procesem kopiowania informacji z DNA na RNA, a translacja wykorzystuje informację w RNA na składanie aminokwasów w białka.
6. Mutacja to termin określający zmiany w genie, które mogą powodować chorobę, jeżeli powodują zmiany określonych aminokwasów w białku, ale także sam proces tych zmian.
7. Warianty genu nazywane są allelami. Są one dziedziczone lub powstają w wyniku mutacji. Allele mogą różnić się nieznacznie od siebie, ale kodują to samo białko.
8. Chromosomy składają się z DNA i białek. W trakcie podziału komórki chromosomy są rozwinięte i zlokalizowane w strukturze nazywanej jądrem. Komórka somatyczna człowieka zawiera 23 pary chromosomów. 22 pary określane jako autosomy nie zawierają genów specyficznych dla płci. Chromosomy X i Y określone jako chromosomy płci zawierają geny determinujące płeć. Kariotypy są przedstawieniem par chromosomów.
9. Pojedyncze geny determinują cechy mendlowskie. Cechy złożone są wynikiem interakcji jednego lub więcej genów i środowiska.
10. Komórki ulegają różnicowaniu poprzez ekspresje podzbiorów genów. Komórki macierzyste dzielą się, tworząc inne komórki macierzyste oraz komórki, które ulegną zróżnicowaniu. Tkanki są grupami komórek o takiej samej funkcji.
11. Fenotyp jest wynikiem ekspresji genów - to choroba albo cecha. Genotyp jest kombinacją alleli. Allele mogą być dominujące (ujawnia się defekt już jednej kopii) lub recesywne (wymagających do ekspresji dwóch kopii genu).
12. Rodowody to schematy służące do badania cech w rodzinach.
13. Populacje genetyczne definiuje się poprzez ich zbiory alleli, zwanych pulą genową. Porównanie genomów pomiędzy dwoma gatunkami ujawnia ich ewolucyjne zależności.
1.3. Zastosowania genetyki i genomiki
14. Profilowanie DNA porównuje sekwencje DNA poszczególnych osób w celu wykluczenia tożsamości, pokrewieństwa lub pochodzenia, a także może ujawnić, czy dwie osoby są spokrewnione.
15. Analiza DNA uzupełnia luki w naszej wiedzy na temat wydarzeń historycznych.
16. Biobank przechowuje dane dotyczące sekwencji DNA oraz inne informacje, aby wspierać badania medyczne nad nowymi testami i metodami leczenia. Informacje te obejmują także skład mikrobiomu, czyli populację mikroorganizmów znajdujących się na ludzkim ciele i w jego wnętrzu.
17. Farmakogenetyka bierze pod uwagę warianty genów, aby przewidzieć, czy dany lek będzie skuteczny lub czy wywoła działania niepożądane u konkretnej osoby.
18. Organizmy zmodyfikowane genetycznie są zmieniane w sposób, który nie występuje naturalnie.
19. Technologia DNA rekombinowanego polega na dodaniu genu, natomiast nowsza metoda edycji genomu umożliwia dodawanie, usuwanie lub zastępowanie konkretnych genów.
20. Sekwencjonowanie eksomu i całego genomu może znacznie przyspieszyć diagnozowanie, zwłaszcza rzadkich chorób.
1.4. Globalna perspektywa genomów
21. W metagenomice sekwencjonuje się DNA zebrane z określonych siedlisk, w tym także z ludzkiego ciała.
22. Organizacje międzynarodowe promują bardziej sprawiedliwe wykorzystanie informacji genetycznych.
Kluczowe terminy
adenina (A) Jedna z czterech typów zasad azotowych w DNA i RNA.
allele Alternatywne formy (warianty) genu.
autosom Chromosom niezawierający genów determinujących płeć.
biobank Obiekt lub zasoby przechowujące sekwencje DNA i inne dane wykorzystywane w badaniach.
bioetyka Dziedzina zajmująca się problemami jednostek i społeczeństw powstającymi w wyniku stosowania technologii medycznych i wykorzystywania informacji genetycznej.
cechy mendlowskie Cechy warunkowane ekspresją jednego genu, dziedziczone zgodnie z prawami segregacji Mendla.
chromosom Struktura zawierająca ciągłą cząsteczkę DNA i powiązane z nią białka.
chromosom płci Chromosom zawierający geny, które określają płeć.
cytozyna (C) Jedna z czterech typów zasad azotowych w DNA i RNA.
dominacja Ekspresja cechy, gdy wariant genowy dotyczy jednej jego kopii.
dziedziczenie Przekazywanie odziedziczonych cech z pokolenia na pokolenie.
edycja genomu Tworzenie dwuniciowych pęknięć w helisie DNA umożliwiających wprowadzenie lub usunięcie określonej sekwencji DNA.
eksom Około 1,5 % genomu kodującego białka.
ekspresja genu Transkrypcja cząsteczek mRNA na podstawie genu.
farmakogenetyka Analiza genów pod kątem wariantów wpływających na metabolizm określonego leku.
fenotyp Wyrażenie ekspresji genu w postaci cechy lub objawu.
gen Fragment cząsteczki DNA, którego sekwencja zawiera instrukcje dla komórki do wytwarzania konkretnego białka.
genealogia genetyczna Analiza porównawcza sekwencji DNA poszczególnych osób w celu określenia pokrewieństwa i pochodzenia geograficznego.
genetyka Badanie cech dziedzicznych i ich zmienności.
genom Kompletny zestaw instrukcji genetycznych w komórkach każdego typu organizmu.
genomika Dziedzina zajmująca się analizą i porównywaniem genomów.
genotyp Indywidualna kombinacja alleli warunkująca cechy i występowanie chorób.
guanina (G) Jedna z czterech typów zasad azotowych w DNA i RNA.
jądro Struktura w niedzielącej się komórce, która mieści DNA.
kariotyp Zestaw par chromosomów (graficzne przedstawienie chromosomów ułożonych według wielkości - kariogram).
komórka Podstawowa jednostka życia.
komórka macierzysta Komórka, która dzieląc się, tworzy inną komórkę macierzystą (samoodnowienie) i komórkę różnicującą się.
komórka somatyczna Komórka organizmu, z wyjątkiem komórek płciowych, zawierająca u człowieka 23 pary chromosomów.
kwas deoksyrybonukleinowy (DNA) Materiał genetyczny, cząsteczka tworząca geny.
kwas rybonukleinowy (RNA) Kwas nukleinowy składający się z zasad A, C, U i G.
metagenomika Sekwencjonowanie wszystkich genomów występujących w próbie reprezentującej konkretne środowisko.
mikrobiom Wszystkie organizmy zasiedlające (żyjące w i na) inny organizm.
mutacja Zmiana w sekwencji DNA. Rzadka w populacji i mogąca wpływać na fenotyp.
profilowanie DNA Grupa metod biotechnologicznych pozwalających na rozróżnianie osób w celu ich identyfikacji lub ustalenia pokrewieństwa. Obejmują one analizę licznych powtórzeń, polimorfizmów pojedynczego nukleotydu oraz sekwencjonowanie genu i genomu.
pula genowa Zbiór wszystkich alleli w populacji.
recesywność Konieczność wystąpienia allela na obu chromosomach, aby doszło do wyrażenia cechy.
replikacja DNA Powstawanie nowej helisy dwuniciowego DNA z wykorzystaniem sekwencji nukleotydowej rodzicielskich nici jako matrycy.
różnicowanie Powstawanie różnych typów komórek poprzez ekspresje różnych podzbiorów genów.
rodowód Wykres symboli połączonych liniami, który przedstawia powiązania genetyczne i przekazywanie cech dziedzicznych w rodzinie.
technologia rekombinacji DNA Wprowadzenie genu jednego gatunku do genomu innego w celu uzyskania produkcji żądanego białka lub wyrażenia cechy.
tkanka Zespół wyspecjalizowanych komórek o wspólnej funkcji.
transkrypcja Wytwarzanie komplementarnego RNA na podstawie pojedynczej nici DNA w obrębie genu.
translacja Składanie łańcucha aminokwasów zgodnie z trójkami zasad w cząsteczce mRNA.
tymina (T) Jedna z czterech typów zasad azotowych w DNA.
uracyl (U) Jedna z czterech typów zasad azotowych w RNA.
zasada azotowa Związki zawierające azot i wykazujące własności zasadowe, które są jednostkami niosącymi informacje w DNA lub RNA.
Pytania sprawdzające
1. Ułóż poniższe pojęcia w kolejności, od największego do najmniejszego, bazując na strukturach i pojęciach, które reprezentują.
a. chromosom
b. pula genowa
c. gen
d. DNA
e. genom
2. Przedstaw przykład problemu bioetycznego.
3. Która część cząsteczki DNA koduje informację, która odróżnia poszczególne osoby?
4. Rozróżnij
a. autosom i chromosom płci
b. genotyp i fenotyp
c. DNA i RNA
d. cechy recesywne i dominujące
e. rodowód i kariotyp
f. gen i genom
g. cecha medlowska i złożona
5. Zdefiniuj pojęcie allela.
6. Wyjaśnij, jak to jest, że wszystkie komórki ciała mają ten sam genom, ale tworzą setki różnych typów wyglądających i funkcjonujących inaczej.
7. Jakie dwa typy informacji przedstawiają rodowody używane w genetyce.
8. Zdefiniuj pojęcie puli genowej.
9. Przedstaw trzy możliwości wykorzystania sekwencjonowania lub manipulacji DNA.
10.Wyjaśnij, jak w metagenomice analizowane są genomy inne niż ludzkie.
Pytania problemowe
1. Jakie są zagrożenia i korzyści komercyjnych testów genetycznych.
2. Czy nosiłbyś swoje dane eksomowe i genomowe w smartfonie? Podaj powód swojej odpowiedzi.
3. Podaj błahy i poważny powód wykonania testu genetycznego.
4. Czego chciałbyś się dowiedzieć o swoim genomie?
5. Dwie pierwsze szczepionki przeciwko wirusowi SARS-CoV-2, wirusowi wywołującemu COVID-19, zawierały mRNA. Wyjaśnij funkcję, jaką zwykle pełni mRNA w komórkach ludzkich.
Z punktu widzenia kryminalistyki
1. Jest wiosna i Romeo, puszysty czarno-biały kot rasy maine coon, ucieka na zewnątrz. Kilka godzin później wraca z pozbawionym głowy gryzoniem w pysku, upuszcza go, a potem zjada puszkę karmy dla kotów z owocami morza i kilka przysmaków z wątróbki, łapie z blatu kawałek smażonego bakłażana, ale go wypluwa. Przez chwilę liże swoje futerko, połykając kosmyki włosów, potem zapada w głęboki sen. Następnego ranka właścicieli Romea budzą charakterystyczne dźwięk wymiotującego kota. Badają wymiociny kota, aby wydedukować, co może powodować jego dyskomfort trawienny. Są one jednak zbyt śluzowate.Opisz, jak można wykorzystać badanie DNA i ustalić źródło zaburzeń trawienia Romea.
2. Kanadyjscy naukowcy opublikowali raport dotyczący 468 spraw kryminalnych, w których powoływano się na "predyspozycje genetyczne". Były to sprawy, gdzie doszło do obrażeń cielesnych lub zachowań przestępczych, w wyniku choroby psychicznej lub zaburzeń po stosowaniu substancji psychoaktywnych. (W 134 przypadkach dane genetyczne działały na niekorzyść powoda, w 86 przypadkach nie, a w 248 ich znaczenie prawne było niejednoznaczne). Jak sądzisz, w jakich okolicznościach, jeżeli w ogóle, dane genetyczne mogą być przydatne w sprawach karnych i z czyjego punktu widzenia?
3. Zasugeruj, w jaki sposób testowanie DNA może zostać wykorzystane w łączeniu rodzin (dzieci i rodziców oraz dalszych krewnych), które zostały rozdzielone w wyniku niepokojów społecznych lub wojen.
Studia przypadków i wyniki badań
1. Wiele wielkoskalowych projektów sekwencjonowania genomu skupia się na osobach z podobną diagnozą, np. dorosłych z chorobami układu krążenia czy dzieciach z opóźnieniem rozwoju, autyzmem i niepełnosprawnością intelektualną. Natomiast w przypadku badań projektu Genomowych Badań Pośmiertnych (ang. Genomic Postmortem Research Project) zsekwencjonowane są genomy 300 zmarłych, którzy byli pacjentami dużych klinik przechowujących skrupulatnie elektroniczną dokumentację medyczną (patrz Wstęp do rozdz. 14). Jaki rodzaj informacji można będzie uzyskać z takich danych genomowych?
2. Przed okresem pandemii po Nowym Jorku podróżował artysta, zbierając włosy, obcięte paznokcie, wyrzucone kubki papierowe, gumy do żucia i inne śmieci. Wyodrębnił z nich DNA i, korzystając z oprogramowania komputerowego, przewidział rysy twarzy i odległości punktów antropometrycznych u badanych na podstawie danych genetycznych. Następnie stosując druk trójwymiarowy, stworzył rzeźby, które wystawił w galerii wraz z oryginalnie wykorzystanym nośnikiem DNA. Zastosowany algorytm pozwolił na identyfikację 50 dziedzicznych cech, które wpływały na cechy twarzy, obejmując również informacje o pochodzeniu etnicznym. Co byś zrobił, gdybyś odwiedził galerię i zobaczył rzeźbę siebie lub kogoś, kogo znasz. Jak prywatny jest DNA na wyrzuconej do śmieci zużytej gumie do żucia?
3. W ramach badania na targach stanowych zebrano DNA od dzieci w celu identyfikacji genów związanych z prawidłowym zdrowiem i rozwojem. Będąc rodzicem takiego dziecka, jakie pytania zadałbyś przed przekazaniem DNA swojego dziecka?
4. Pięć biobanków zgromadziło sekwencje genomów ponad miliona osób. Wybierz biobank z poniższej listy i opisz wykorzystanie danych do badań medycznych: UK Biobank, All of Us, TransOmics for Precision Medicine, Million Veteran Program, 100 000 Genomes Project.
5. W badaniu wykorzystującym dane brytyjskiego biobanku uczestnicy przez kilka miesięcy prowadzili szczegółowe dzienniki wszystkich spożywanych pokarmów. Po kilku latach badacze przeanalizowali warianty genów wspólne dla wszystkich, którzy rozwinęli cukrzycę typu 2. Określ wpływy środowiskowe, które także mogą być istotne przy długoterminowej ocenie ryzyka cukrzycy.
ROZDZIAŁ 2Komórki
Źródło: milosljubicic/Shutterstock
Jednym z objawów zespołu Retta, genetycznie uwarunkowanej choroby, dotykającej najczęściej dziewczynki, jest utrata zdolności celowego używania rąk. Obecnie zespół Retta jest rozpoznawany i diagnozowany wcześnie. Jednak w 2004 roku chorobę tę zdiagnozowano dopiero kilka lat po śmierci dziecka na podstawie analizy DNA pobranego z zachowanego zęba mlecznego. Ten przypadek ilustruje fakt, że DNA zawarty w komórce może przechowywać informacje dotyczące całego organizmu.
Po przeczytaniu rozdziału potrafisz
2.1. Komórki - wprowadzenie
1. Wytłumaczyć, dlaczego ważne jest poznanie komórkowego podłoża choroby.
2. Rozróżnić komórki somatyczne od germinalnych oraz diploidalne od haploidalnych.
2.2. Składniki komórkowe
3. Wytłumaczyć, jak różnicują się komórki.
4. Wymienić cztery podstawowe związki chemiczne w komórkach.
5. Opisać, jak organella wchodzą w interakcje i współdziałają podczas wydzielania, wykorzystywania energii i usuwania zbędnych produktów przemiany materii.
6. Opisać strukturę i funkcje błon biologicznych.
7. Wymienić składniki cytoszkieletu.
2.3. Podział i śmierć komórki
8. Opisać główne fazy cyklu komórkowego.
9. Wskazać, jak chromosomy zmieniają się i jak wchodzą w interakcje podczas mitozy.
10. Omówić kontrolę cyklu komórkowego.
11. Wymienić fazy apoptozy.
2.4. Komórki macierzyste
12. Wymienić cechy charakterystyczne komórek macierzystych i progenitorowych.
13. Opisać trzy podstawowe źródła ludzkich komórek macierzystych.
2.5. Mikrobiom człowieka
14. Opisać składniki mikrobiomu człowieka.
15. Wymienić czynniki, które mogą zmienić ludzki mikrobiom.
Z szerszej perspektywy
Nasze ciała zbudowane są z bilionów komórek, które oddziałują ze sobą w skomplikowany sposób. Wszystkie komórki ciała mają ten sam genom, ale różnią się strukturalnie i funkcjonalnie, ponieważ mogą i wykorzystują genomy w różny sposób.
Diagnoza zespołu Retta z zęba
Genom jest jak baza danych zawierająca wskazówki dotyczące zdrowia organizmu, z którymi można się zapoznać w dowolnym momencie jego życia, a nawet po śmierci.
Gdy matka w Australii przekazała naukowcom zachowany ząb mleczny swojej zmarłej córki, ci wyizolowali i przeanalizowali uzyskany z niego DNA. Dzięki temu nietypowe objawy choroby jej córki w końcu otrzymały nazwę - zespół Retta.
Dziewczynka wydawała się zdrowa do 16. miesiąca życia, pomimo że ciągle jeszcze nie umiała chodzić, ale już zaczęła tracić umiejętność posługiwania się słowami, których wcześniej często używała. W wieku 2 lat nie potrafiła już manipulować małymi przedmiotami i pojawiły się u niej powtarzalne ruchy rąk (stereotypie rąk) - wykręcanie dłoni. W wieku 3 lat wystąpiły napady padaczkowe. Miała autyzm i stawała się coraz bardziej niepełnosprawna. Zmarła w 1991 roku, mając 7 lat - niezdiagnozowana.
W 2004 roku kobieta rozpoznała objawy, które wystąpiły u córki, przeczytawszy o zespole Retta. Na szczęście zachowała mleczny ząb dziewczynki. Czy badacze mogliby przetestować DNA z zęba pod kątem mutacji w genie MECP2, powodujących zespół Retta? Kobieta przeczytała, że ząb zawiera masę komórkową w miazdze i zdała sobie sprawę, że każda z tych komórek ma dwie kopie genomu jej zmarłej córki. Uczestnicy australijskiego badania nad zespołem Retta skontaktowali matkę z badaczami, którzy potwierdzili diagnozę.
Wiele lat później odkryto kolejne zaburzenie charakterystyczne dla zespołu Retta. Stwierdzono obkurczenie malutkich pęcherzyków zwanych egzosomami, transportujących białka i inne cząsteczki między komórkami. Komórka nerwowa (neuron) dziecka z zespołem Retta ma tylko około połowy z 700 rodzajów białek, które przekazywane są pomiędzy zdrowymi neuronami. Gdy naukowcy wprowadzili prawidłową kopię genu MECP2 do komórek pobranych od osób z zespołem Retta, pęcherzyki wypełniły się brakującymi białkami. Naprawienie mutacji odwróciło deficyty komórek hodowanych w warunkach laboratoryjnych, stanowiąc krok w kierunku opracowania terapii.
2.1 Komórki - wprowadzenie
Nasze cechy dziedziczne, zdolności i choroby są wynikiem aktywności komórek organizmu. Zrozumienie funkcjonowania komórek pozwala na lepsze poznanie funkcjonowania zdrowego organizmu oraz jego rozwoju - od jednej komórki do zbioru trylionów komórek. Wiedza o tym, co w poszczególnych komórkach funkcjonuje nieprawidłowo, powodując objawy chorobowe, może wskazać sposoby leczenia danej choroby dzięki poznaniu struktur, które należy naprawić lub wymienić. Na przykład geny kodują informację o wytwarzaniu w komórkach białek, które dopasowują się do siebie, tworząc aparat kurczliwy mięśni. W przypadku dystrofii mięśniowej Duchenne'a brakuje jednego z tych białek, w wyniku czego komórki mięśniowe zapadają się pod wpływem silnego skurczu. Niektóre mięśnie stają się słabe już we wczesnym dzieciństwie, a chorzy stopniowo tracą zdolność poruszania się. Ta forma dystrofii mięśniowej jest śmiertelna w okresie wczesnej dorosłości. Ludzkie ciało zawiera ponad 290 wyspecjalizowanych lub zróżnicowanych typów komórek, które łączą się i oddziałują ze sobą, tworząc cztery podstawowe typy tkanek: nabłonkową, łączną, mięśniową i nerwową (tabela 2.1). Jednakże wyspecjalizowane komórki dzielą się na podtypy i nawet komórki, które wyglądają bardzo podobnie, mogą różnić się wzorem ekspresji genów (transkrypcji mRNA).
Większość komórek to komórki somatyczne, nazywane również komórkami ciała. Komórki somatyczne mają dwie kopie genomu, dlatego mówimy, że są diploidalne. W przeciwieństwie do komórek rozrodczych (germinalnych) - plemników i komórek jajowych - które mają jedną kopię genomu i są haploidalne. Połączenie plemnika i komórki jajowej odtwarza stan diploidalny. Komórki macierzyste są komórkami diploidalnymi, które dzieląc się, dają początek innym komórkom macierzystym różnicującym się w procesie zwanym samoodnawianiem. Komórki macierzyste umożliwiają organizmowi rozwój, wzrost i naprawę uszkodzeń.
Tabela 2.1
Rodzaje tkanek
Tkanka
Funkcja/lokalizacja/opis
Tkanki łączne
Różnorodne typy komórek i substancji pozakomórkowych, które chronią, wspierają, wiążą komórki i wypełniają przestrzenie w całym ciele. Obejmują tkanki: chrzęstną, kostną, krew i tkankę tłuszczową
Nabłonek
Ciasno ułożone warstwy komórek tworzące wyściółkę, która odgrywa rolę ochronną, wydzielniczą, chłonną i wydalniczą
Mięśnie
Komórki, które kurczą się, zapewniając ruch mimo oporu sztywnych kości
Tkanka nerwowa
Komórki nerwowe przekazujące impulsy elektrochemiczne koordynujące ruch organizmu, czuwanie i reakcje na bodźce środowiskowe. Komórki wspierane i odżywiane przez neuroglej
Komórki wchodzą w interakcje, wysyłając, odbierając i odpowiadając na informacje przesyłane w formie sygnałów biochemicznych, tak jak na rycinie 8.1, gdzie pokazano komunikujące się dwie komórki nerwowe. Niektóre komórki łączą się z innymi komórkami o podobnej funkcji, tworząc tkanki, które z kolei oddziałują ze sobą, tworząc narządy i układy narządów. Inne komórki przemieszczają się w obrębie ciała. Liczba komórek i proporcje różnych ich typów są istotne dla rozwoju, wzrostu i zdrowia. Stan zdrowia organizmu jest wynikiem równowagi pomiędzy podziałami komórkowymi, które tworzą nowe komórki, a obumieraniem komórek, które są z niego usuwane.
Pytania o zagadnienia kluczowe 2.1
a. Nazwij cztery typy tkanek.
b. Jak różni się liczba kopii genomu w komórce diploidalnej od liczby kopii w komórce haploidalnej?
c. Podaj różnice między komórkami somatycznymi a rozrodczymi (germinalnymi).
2.2 Składniki komórkowe
Wszystkie komórki współdzielą cechy, które pozwalają im wykonywać podstawowe funkcje życiowe: rozmnażanie, wzrost, reakcję na bodźce i wykorzystanie energii. Cechy różnicujące je pojawiają się, gdy w komórkach dochodzi do ekspresji różnych podzbiorów spośród tysięcy genów kodujących białka.
Wszystkie organizmy wielokomórkowe, w tym inne zwierzęta, grzyby i rośliny, mają zróżnicowane komórki. Komórki organizmów jednokomórkowych, takich jak pantofelek czy ameba, są tak złożone jak nasze. Najliczniejszą grupą organizmów na świecie są jednokomórkowe mikroorganizmy - bakterie. Zasiedlają one Ziemię zdecydowanie dłużej niż my i w tym sensie odniosły większy sukces ewolucyjny niż ludzie.
Biolodzy wyróżniają trzy podstawowe typy komórek, odzwierciedlające trzy podstawowe "domeny" życia: archeony (Archea), bakterie (Bacteria) i eukarionty (Eukaria). Przy czym domena jest szerszym pojęciem klasyfikacyjnym niż królestwo. Archeony i bakterie są organizmami jednokomórkowymi, ale różnią się między sobą sekwencjami wielu genów i składem błon komórkowych. Obie te grupy są prokariontami. Komórki prokariotyczne nie posiadają jądra, struktury występującej w komórkach innych rodzajów organizmów i zawierającej DNA. Ich materiał genetyczny zawieszony jest w cytoplazmie i nie jest otoczony błoną. Organizmy trzeciej domeny to Eukaria, określane również jako eukarionty. To grupa organizmów obejmująca jednokomórkowce posiadające jądro oraz organizmy wielokomórkowe (rycina 2.1). My jesteśmy eukariontami.
Komórka eukariotyczna została klasycznie odróżniona od komórki prokariotycznej ze względu na obecność struktur zwanych organellami, z których większość jest otoczona błoną lipidową i pełni określone funkcje. W komórkach prokariotycznych występują struktury podobne do organelli, jednak są one otoczone białkami. Komórki wszystkich trzech domen życia zawierają globularne skupiska zbudowane z RNA i białek, nazywane rybosomami, które są niezbędne do składania łańcuchów aminokwasowych budujących białka. Eukarionty mogły powstać w zamierzchłych czasach jako wynik fuzji archeona i bakterii.
Wirusy nie są komórkami i nie są również uważane za organizmy żywe. Zawierają DNA lub RNA jako materiał genetyczny zamknięty w warstwach innych typów cząsteczek. Wirusy są omawiane w rozdziale 19.
Rycina 2.1 Komórki eukariotyczne i prokariotyczne. Duża szara struktura to makrofag, część ludzkiego układu odpornościowego. Tutaj pochłania znacznie mniejsze zabarwione na pomarańczowo komórki, które są bakteriami wywołującymi gruźlicęŹródło: Kateryna Kon/Shutterstock
Składniki chemiczne
Komórki zbudowane są z cząsteczek. Niektóre substancje życiowe (biomolekuły) są tak duże, że określa się je makrocząsteczkami.
Głównymi makromolekułami budującymi komórki i wykorzystywanymi przez nie jako źródło energii są węglowodany (cukry i skrobia), lipidy (tłuszcz i olej), białka i kwasy nukleinowe. Węglowodany, białka i kwasy nukleinowe są polimerami, czyli łańcuchami budujących je elementów składowych. Lipidy mają bardziej zróżnicowaną strukturę. Komórki oprócz tych związków, w znacznie mniejszych ilościach potrzebują minerałów i organicznych związków niskocząsteczkowych takich jak witaminy.
Węglowodany dostarczają energii i są składnikiem strukturalnym komórek. Lipidy stanowią podstawę niektórych hormonów, budują błony komórkowe, są materiałem izolacyjnym i przechowują energię. Białka pełnią w organizmie człowieka wiele różnych funkcji - umożliwiają krzepnięcie krwi, tworzą kurczliwe włókna w komórkach mięśniowych i tworzą większość tkanki łącznej organizmu. Przeciwciała, chroniące organizm przed infekcją, również są białkami. Szczególnie ważnymi białkami są enzymy, które ułatwiają zajście reakcjom chemicznym lub je katalizują na tyle szybko, aby podtrzymać funkcje życiowe. Najważniejszymi dla badań genetycznych są kwasy nukleinowe DNA i RNA, które tłumaczą informację zapisaną od poprzednich pokoleń na określone zbiory białek tworzących komórkę i jej charakterystykę. W tabeli 2.1 wymieniono typy makrocząsteczek, a w ramce Aspekty kliniczne 2.1 przedstawiono choroby, które wpływają na główne typy cząsteczek biologicznych.
Makrocząsteczki w komórkach mogą łączyć się, tworząc większe struktury. Na przykład błony, które otaczają komórki i dzielą je nas kompartymenty, składają się z podwójnej warstwy (dwuwarstwy) lipidowej, w której zanurzone są węglowodany, białka i inne lipidy. Życie opiera się na prawach chemicznych rządzących całą materią, genetyka zaś na przekazywaniu informacji w wysoko zorganizowanym zbiorze reakcji niezbędnych do życia.
Organella
Typowa komórka eukariotyczna ma objętość tysiąckrotnie większą niż komórka bakteryjna. W celu utrzymania aktywności życiowej w tak dużej komórce organelle dzielą "zadania" poprzez wydzielenie pewnych obszarów i rozdzielenie specyficznych funkcji. Skoordynowane działanie organelli w komórkach eukariotycznych, w porównaniu z komórkami prokariotycznymi, można porównać do organizacji działów w sklepie wielopowierzchniowym z prostotą działania małego sklepu spożywczego. Ogólnie rzecz biorąc, organella utrzymują powiązane ze sobą szlaki biochemiczne i struktury w bliskim kontakcie, aby zwiększyć efektywność współdziałania. Ta kompartmentacja eliminuje konieczność utrzymywania wysokiego stężenia poszczególnych związków w obrębie komórki. Organella pełnią różnorodne funkcje komórkowe. Pozwalają na zachowanie, a także wykorzystanie instrukcji genetycznych do wydzielania substancji, usuwania odpadów czy pozyskiwania energii. Organelle przypominające woreczki wyłapują związki szkodliwe dla innych części komórki. Niektóre organella składają się z błon z zakotwiczonymi białkami ułożonymi w kolejności zachodzenia reakcji chemicznych, w wyniku których powstaje konkretna cząsteczka. Rycina 2.2 przedstawia organella komórkowe w taki sposób, aby reprezentowały one wszystkie swoje funkcje.
Rycina 2.2 Uogólniony schemat komórki zwierzęcej. Organelle pełnią wyspecjalizowane funkcje w komórce. Większość tych struktur jest przezroczysta; kolory są tutaj używane do ich rozróżnienia. Różne typy komórek mają różną liczbę organelli. Wszystkie mają pojedyncze jądro, z wyjątkiem czerwonych krwinek, które tracą je podczas dojrzewania. Źródło: (góra): Jose Luis Calvo/Shutterstock; (po lewej): Keith R. Porter/Science Source; (po prawej): EM Research Services/Newcastle University
Tabela 2.2
Makrocząsteczki życia
Typ cząsteczki
Struktura
Funkcja
Przykłady
Węglowodany
Cukry i polimery cukrów
Magazynowanie energii, tożsamość komórki
Glukoza, sacharoza, celuloza, skrobia
Lipidy
Kwasy tłuszczowe, sterole, trójglicerydy
Budują błony, magazynują energię, stanowią hydroizolację, są niezbędne do wytwarzania hormonów
Tłuszcze, oleje, woski, cholesterol
Białka
Polimery aminokwasów
Enzymy, transport, struktury, tożsamość komórki, komunikacja
Enzymy, przeciwciała, hemoglobina, kolagen
Kwasy nukleinowe
Polimery nukleotydów
Informacja genetyczna
DNA, RNA
Aspekty kliniczne 2.1
Wrodzone błędy metabolizmu wpływają na główne biocząsteczki
Enzymy przyśpieszają określone reakcje chemiczne poprzez obniżenie poziomu "energii aktywacji" niezbędnej do ich zainicjowania. Kontrolują wytwarzanie przez komórkę wszystkich typów makrocząsteczek. Jeżeli enzym nie jest produkowany lub nie może funkcjonować prawidłowo, związki, na które oddziałuje, gromadzą się, mimo że jest za mało produktów reakcji końcowej, co działa jak blokada w wężu ogrodowym wypełnionym wodą. Powstałe nagromadzenia biomolekuł lub ich braki mogą powodować występowanie objawów chorobowych. Choroby genetyczne wynikające z niedoborów lub braku enzymów nazywane są "wrodzonymi wadami metabolizmu". Poniżej znajdują się przykłady chorób wynikających z niedoborów lub nagromadzenia cząsteczek biologicznych.
Węglowodany
Noworodek krzyczał i podciągał z bólu pulchne nóżki kilka godzin po każdym karmieniu, miał również wodnistą biegunkę. Dziewczynka miała niedobór laktazy, czyli niezdolność do wytwarzania enzymu laktazy, która rozkłada laktozę (cukier występujący w mleku). W niestrawionej laktozie w jelitach dziecka namnożyły się bakterie, powodując powstawanie gazów, skurcze i wzdęcia. W tym przypadku pomogło przejście na karmienie dziecka mieszanką na bazie soi niezawierającej laktozy. Inną łagodniejszą formą choroby jest nietolerancja laktozy, powszechnie występująca u dorosłych (patrz esej otwierający rozdział 16).
Lipidy
Nagły, ostry ból zaczął się w ramieniu mężczyzny i rozprzestrzenił w obrębie klatki piersiowej. W wieku 36 lat był młodszy niż większość osób cierpiących na zawał serca, jednak odziedziczył mutacje, która obniżyła o połowę liczbę receptorów cholesterolu w jego wątrobie. Ponieważ cholesterol nie docierał do komórek wątroby wydajnie, gromadził się w tętnicach, ograniczając przepływ krwi w sercu, co spowodowało łagodny zawał. Mężczyzna odziedziczył rodzinną hipercholesterolemię (patrz rycina 5.2). Przyjmowanie leków obniżających poziom cholesterolu i regularne ćwiczenia zmniejszyły ryzyko wystąpienia u niego kolejnych zawałów.
Białka
Tim jako noworodek spał większość czasu i wymiotował tak często, że praktycznie nie rósł. Badanie krwi będące częścią panelu przesiewu noworodkowego wykonane dzień po urodzeniu wykazało, że cierpi on na chorobę syropu klonowego, która powoduje specyficzny zapach moczu przypominający właśnie syrop klonowy (w Polsce czasami mówi się o zapachu maggi - przyp. tłum.). Organizm Tima nie rozkłada trzech aminokwasów (jednostek budujących białka), które gromadzą się w krwiobiegu. Dieta uboga w te aminokwasy może kontrolować objawy choroby.
Kwasy nukleinowe
Od urodzenia mokre pieluszki Troya zawierały pomarańczowe cząsteczki, przypominające ziarenka piasku, ale poza tym nic mu nie dolegało - wydawał się zdrowy. W wieku 6 miesięcy oddawanie moczu stało się dla dziecka bolesne. Lekarz zwrócił uwagę na nietypowy sposób poruszania się Troya, mimowolne wijące się ruchy zamiast normalnego pełzania. Pomarańczowe ziarenka w pieluszkach chłopca wskazywały na zespół Lescha-Nyhana powodowanego niedoborem enzymu HGPRT. Ciało Troya nie było w stanie wprowadzić powtórnie do obiegu dwóch składników budulcowych DNA (puryn), przekształcało je natomiast w kwas moczowy, krystalizujący w moczu. Chłopiec później rozwinął niepełnosprawność intelektualną w stopniu ciężkim, padaczkę oraz agresywne zachowania autodestrukcyjne. W wieku 3 lat w sposób niekontrolowany przygryzał sobie palce i wargi. Usunięto mu zęby, żeby nie zrobił sobie krzywdy i był przetrzymywany w odosobnieniu. W przypadku tej choroby szacowana długość życia to nawet 30 lat.
Witaminy
Witaminy to związki umożliwiające organizmowi wykorzystanie węglowodanów, lipidów i białek. Kaneesha odziedziczyła niedobór biotynidazy, defekt, który znacznie spowalnia wykorzystanie przez jej organizm biotyny (witamina B7). Gdyby Kaneesha nie została zdiagnozowana w okresie noworodkowym i wcześnie zaczęła suplementację biotyną, rozwinęłaby się u niej niepełnosprawność intelektualna, padaczka, wysypka skórna i utarta wzroku, słuchu oraz włosów. Jej powolny wzrost, wynikający z niemożności organizmu do pozyskania energii ze składników odżywczych pożywienia, ostatecznie okazałby się śmiertelny.
Minerały
Ingrid, trzydziestolatka mieszkająca w ośrodku opiekuńczym, nie mogła mówić ani chodzić. Uśmiechała się i śliniła, ale była osobą nawiązującą kontakt i w latach 80. XX wieku komunikowała się za pomocą tablicy obrazkowej i tablicy z alfabetem. Kiedy była zdrową maturzystką, zaczęły się u niej objawy choroby Wilsona. Wątroba Ingrid nie była już w stanie kontrolować nadmiaru miedzi, który jej układ pokarmowy wchłaniał z pożywienia. Początkowe objawy obejmowały bóle brzucha, bóle głowy i zapalenie wątroby (hepatitis). Następnie pojawiły się inne zmiany - utrata równowagi, chropawy, niewyraźny i niski głos wynikający z osłabienia mięśni jamy ustnej oraz zmiana charakteru pisma odręcznego. Obecność zielonkawych pierścieni wokół tęczówek, wynik nagromadzenia miedzi, wskazywała na chorobę Wilsona (rycina 2A). Podanie leku penicylaminy umożliwiło Ingrid wydalanie namiaru miedzi z moczem. Leczenie zatrzymało u niej przebieg choroby, uratowało życie, lecz nie poprawiło stanu chorej.
Rycina 2A Choroba Wilsona. Zielonkawy pierścień wokół brązowej tęczówki jest jednym z objawów nagromadzenia miedzi w organizmie pacjentów z chorobą WilsonaŹródło: Mediscan/Alamy Limited/BEW
Pytania do dyskusji
1. Wytłumacz, w jaki sposób choroby dziedziczne mogą wpływać na występujące w organizmie cząsteczki inne niż białka.
2. Wytłumacz, jak brak lub obecność nieprawidłowych form enzymów może powodować różne choroby.
3. Opisz, w jaki sposób leczenie niedoboru laktazy, rodzinnej hipercholesterolemii, choroby syropu klonowego i choroby Wilsona może łagodzić objawy choroby.
Najbardziej znaczącym organellum w komórce jest jądro. Jest ono otoczone warstwą określaną jako otoczka jądrowa. Niektóre związki biochemiczne mogą wnikać do jądra poprzez jądrowe kompleksy porowe będące pierścieniami kilku typów białek wokół otworów (kanałów porowych) przypominających bulaje w burtach statków (rycina 2.3).
Po wewnętrznej stronie błony znajduje się warstwa delikatnych włókienek białkowych - blaszka jądrowa. Nie jest ona jedynie wewnętrzną wyściółką, ale również hamuje ekspresję genów, które kontaktują się z nią od wewnątrz. Blaszka jądrowa pełni również funkcję mechanicznej podpory i utrzymuje układ jądrowych kompleksów porowych. We wprowadzającej części rozdziału 3 przedstawiono przykład choroby przyspieszonego starzenia, której przyczyną jest obecność atypowej blaszki jądrowej.
W jądrze znajduje się obszar, który w obrazie mikroskopowym wydaje się zaciemniony, a nazywany jest jąderkiem ("małym jądrem"). Tutaj powstają rybosomy. Jądro zawiera DNA, który wchodząc w kompleksy z wieloma białkami, tworzy chromosomy. Inne białka tworzą włókna wypełniające jądro, nadając mu mniej więcej kulisty kształt. Obficie występują także RNA, enzymy i inne typy białek niezbędnych do syntezy RNA na matrycy DNA (transkrypcji). Płyn wypełniający jądro, bez powyższej zawartości, nazywa się nukleoplazmą.
Rycina 2.3 Jądro jest genetyczną kwaterą główną. (a) Największa struktura w typowej komórce ludzkiej, jądro znajduje się w obrębie dwóch warstw błony, które tworzą otoczkę jądrową. (b) Pory jądrowe umożliwiają określonym cząsteczkom przemieszczanie się do i z jądra przez otoczkę. Są to złożone struktury, a nie tylko "dziury"
Zewnętrzną granicę komórki stanowi błona plazmatyczna, nazywana również błoną komórkową. Pozostała część komórki - wszystko poza jądrem i organellami - to cytoplazma. Komórki przechowują także białka, węglowodany, lipidy, pigmenty i różne inne małe cząsteczki. Cytoplazma, z której usunięto wszystkie powyższe składniki, nazywana jest cytozolem. Analiza trzech podstawowych funkcji komórki - wydzielania, trawienia wewnątrzkomórkowego i produkcji energii - pokazuje, jak organelle współdziałają, koordynując jej podstawowe funkcje życiowe i prowadzą do specjalizacji różnych typów komórek.
Wydzielanie - linia produkcyjna eukariontów
Wydzielanie to proces uwalniania substancji z komórki, który zazwyczaj rozpoczyna się w momencie, gdy organizm wysyła sygnał biochemiczny rozpoczęcia produkcji określonej substancji. Na przykład, gdy noworodek ssie pierś matki, jej mózg uwalnia hormony sygnalizujące komórkom piersi, aby gwałtownie zwiększyły produkcję złożonej mieszanki tworzącej mleko (rycina 2.4). W odpowiedzi informacje zawarte w określonych genach są kopiowane do cząsteczki informacyjnego RNA (mRNA), która następnie opuszcza jądro (patrz kroki 1 i 2 na rycinie 2.4). W cytoplazmie mRNA z pomocą rybosomów i innego rodzaju RNA, nazywanego transferowym RNA (tRNA), kieruje produkcją białek mleka. Należą do nich białka odżywcze zwane kazeinami, przeciwciała, które chronią przed infekcją, i enzymy.
Większość syntezy białek zachodzi w labiryncie powiązanych wzajemnie błoniastych kanalików i cystern nazywanych retikulum endoplazmatycznym (ER) (krok 3 na rycinie 2.4). ER wije się od zewnętrznej części otoczki jądrowej, tworząc rozległą sieć kanalików transportujących cząsteczki z jednej części komórki do drugiej. ER znajdujące się najbliżej jądra, które jest spłaszczone i zawiera osadzone rybosomy, nazywa się szorstkim ER ze względu na wygląd w mikroskopie elektronowym. Synteza białek rozpoczyna się na szorstkim ER w momencie przyłączenia mRNA do rybosomów. Aminokwasy z cytoplazmy są następnie łączone ze sobą zgodnie z instrukcją w sekwencji mRNA, tworząc konkretne białka, które albo opuszczą komórkę, albo wraz z lipidami staną się częścią błony (krok 3, rycina 2.4). Białka są również syntetyzowane na rybosomach niezwiązanych z ER. Te białka pozostają w cytoplazmie. Krótsze łańcuchy aminokwasów nazywane są peptydami. Insulina, która zawiera 51 aminokwasów, jest właśnie peptydem.
ER działa jak centrum kontroli jakości komórki. Jego środowisko chemiczne umożliwia powstającym białkom rozpoczęcie fałdowania i tworzenie trójwymiarowej struktury, niezbędnej do pełnienia specyficznych funkcji. Większość źle sfałdowanych białek jest usuwana poza ER i degradowana. Podobnie jak wadliwa zabawka jest usuwana z linii montażowej w fabryce zabawek, a następnie wyrzucana. Niektóre źle sfałdowane białka mogą być rozwijane, a następnie fałdowane prawidłowo. Nieprawidłowo sfałdowane białka, które utrzymują się w komórce i powodują wystąpienie chorób, są omówione dalej w rozdziale 10.
W miarę przesuwania się w kierunku błony plazmatycznej liczba rybosomów maleje, a kanaliki się rozszerzają, tworząc segment nazywany gładkim ER. Tutaj wytwarzane są lipidy i dodawane do mieszaniny białek docierających z szorstkiego ER (krok 4, rycina 2.4). Lipidy i białka transportowane są aż do momentu, gdy kanaliki gładkiego ER zwężają się i kończą. Wtedy białka opuszczają ER w otoczonych błoną organellach nazywanych pęcherzykami. Pęcherzyki odrywają się od rurkowatych zakończeń błony jak małe bańki mydlane od dużej. Lipidy są transportowane bez pomocy pęcherzyków, ponieważ pęcherzyk sam w sobie jest zbudowany z lipidów.
Wypełniony pęcherzyk przenosi swoją zawartość do następnego etapu w wydzielniczej linii produkcyjnej - aparatu Golgiego (krok 5, rycina 2.4), który wygląda jak stos naleśników. To centrum procesowe - kolumna od czterech do sześciu połączonych ze sobą płaskich woreczków błonowych. Tutaj wytwarzane są cukry, takie jak cukier występujący w mleku - laktoza. Niektóre cukry wiążą się z białkami, tworząc glikoproteiny, inne z lipidami, tworząc glikolipidy, które staną się składowymi błony plazmatycznej. Białka kończą fałdowanie w aparacie Golgiego i stają się aktywne, natomiast białka sfałdowane nieprawidłowo, które przeszły przez ER, są usuwane. Niektóre typy komórek mają małą liczbę aparatów Golgiego, ale komórki wydzielnicze mogą mieć ich setki.
Składniki złożonych wydzielin, takich jak mleko, są czasowo przechowywane w aparatach Golgiego. Kropelki białek i cukrów odpączkowują w pęcherzykach i przemieszczane są na zewnątrz błony, chwilowo stając się jej częścią, aż zostaną wydzielone na zewnątrz komórki. Lipidy opuszczają błonę cytoplazmatyczną, bezpośrednio zabierając ze sobą jej fragment (krok 6, rycina 2.4).
Rycina 2.4 Wydzielanie: produkcja mleka. Produkcja i wydzielanie mleka ilustrują funkcje organelli i interakcje w komórce gruczołu sutkowego: (1) do (6) wskazują kolejność, w jakiej organelle uczestniczą w tym procesie. Lipidy są wydzielane w oddzielnych kroplach niż białka i przyłączone do nich cukry. Ten schemat komórki jest bardzo uproszczony pod względem wzajemnych rozmiarów struktur
W gruczołach mlecznych komórki nabłonkowe nazywane laktocytami (komórkami wydzielniczymi mleka) tworzą przewody mlekowe, do których wydzielają składniki mleka. Kiedy dziecko ssie, komórki kurczliwe wyciskają mleko przez przewody i następnie przez otwory w sutkach.
Aparaty Golgiego przetwarzają wiele typów białek, które są sortowane do różnych typów pęcherzyków. Proces ten przypomina sortowanie towarów opuszczających magazyn do różnych typów pojemników, w zależności od ich miejsca przeznaczenia. Znaczniki molekularne kierują pęcherzyki do określonych miejsc w komórce lub wskazują, że ich zawartość ma zostać uwolniona poza komórkę.
Niektóre pęcherzyki spotykają się i łączą z błoną komórkową, wypączkowują i opuszczają komórkę jako niezależne drobne pęcherzyki otoczone błoną, zwane egzosomami (rycina 2.5). Flotylle egzosomów transportują pomiędzy komórkami tysiące rodzajów białek, lipidów, DNA, RNA i innych związków niskocząsteczkowych. Przeciętna średnica egzosomu to około 100 nanometrów (miliardowych części metra). Egzosomy mają różne funkcje - usuwają zbędne produkty przemiany materii, rozkładają odpady, transportują cząsteczki układu immunologicznego i zapewniają rozległą sieć komunikacji międzykomórkowej. W momencie odkrycia, w latach 80. XX wieku, egzosomy uważano za odpady komórkowe. Obecnie firmy konstruują je w celu dostarczania leków.
Wszystkie komórki wytwarzają i eksportują egzosomy do płynów ustrojowych. Te maleńkie pęcherzyki są szczególnie liczne w płynie mózgowo-rdzeniowym opływającym rdzeń kręgowy i mózg. Obecne tam egzosomy kontrolują sygnalizację pomiędzy komórkami nerwowymi (neuronami) podczas rozwoju mózgu. Tworzenie wadliwych egzosomów leży u podstaw takich schorzeń, jak: choroba Parkinsona, rak mózgu oraz zaburzenia ze spektrum autyzmu i schizofrenia.
Trawienie wewnątrzkomórkowe - lizosomy i peroksysomy
Rycina 2.5 Egzosomy to pęcherzyki transportujące cząsteczki z jednej komórki do drugiej. Ich ładunek obejmuje tysiące rodzajów cząsteczek, w tym białka, lipidy, DNA i RNA. Ilustracja przedstawia RNA wychodzące z komórki po lewej stronie w egzosomie, przechodzące przez przestrzeń między dwiema komórkami i wchodzące do komórki po prawej stronie
Podobne jak w domu tworzy się bałagan, tak też w komórkach gromadzą się "odpady". Organelle nazywane lizosomami (pęcherzykami trawiennymi) odpowiadają za ich usuwanie. Lizosomy to pęcherzyki otoczone błoną zawierające enzymy, które rozkładają resztki bakterii, zużyte organelle i inne substancje, na przykład nadmiar cholesterolu (rycina 2.6). Enzymy te rozkładają również niektóre strawione składniki odżywcze do formy, którą komórka może wykorzystać.
Lizosomy łączą się z pęcherzykami niosącymi odpady zewnątrz- i wewnątrzkomórkowe, a następnie enzymy lizosomalne degradują ich zawartość. Usuwanie własnych niepotrzebnych lub nieprawidłowych elementów przez komórkę zachodzi w procesie autofagii (zjadanie siebie). Na przykład rodzaj pęcherzyka, który wypukla się do wnętrza z błony plazmatycznej, endosom, transportuje nadmiar cząsteczek cholesterolu o niskiej gęstości (LD) do lizosomów, gdzie są rozkładane. Załadowany lizosom przesuwa się w kierunku błony plazmatycznej i łączy się z nią, uwalniając strawioną zawartość na zewnątrz. Lizosomy utrzymują silnie kwasowe środowisko niezbędne do działania zawartych w nich enzymów, oddzielone od innych części komórek, które mogłyby zostać zniszczone przez kwasy.
Komórki różnią się liczbą lizosomów. Na przykład makrofag (rycina 2.1) pochłaniający bakterie ma wiele lizosomów. Komórki wątroby również wymagają wielu lizosomów do rozkładania cholesterolu, toksyn czy leków.
Wszystkie lizosomy zawierają 43 rodzaje enzymów trawiennych, które muszą być utrzymywane w równowadze. Brak któregoś z tych enzymów lub jego nieprawidłowa funkcja powodują "lizosomalne choroby spichrzeniowe", w przypadku których akumulowane są cząsteczki, normalnie degradowane przez ten enzym. Lizosomy pęcznieją, wypierają inne organelle i zaburzają funkcje komórkowe. Na przykład w chorobie Taya-Sachsa występuje niedobór enzymu, który rozkłada lipidy w komórkach otaczających neurony. Gdy układ nerwowy zostaje uszkodzony przez nadmiar otaczających go lipidów, niemowlę zaczyna tracić posiadane zdolności, takie jak wzrok, słuch czy mobilność. Chorzy umierają zazwyczaj w ciągu 3 lat. W komórkach dotkniętych chorobą lizosomy powiększają się nawet przed urodzeniem. Lizosomalne choroby spichrzeniowe dotyczą około 10 000 osób na całym świecie (patrz tabela 22.4 i rycina 22.4).
Peroksysomy to kuliste struktury ograniczone pojedynczą błoną, wypełnione kilkoma rodzajami białek i zawierające enzymy pełniące różne funkcje. Enzymy peroksysomalne katalizują (przyspieszają) reakcje rozkładu określonych lipidów i rzadkich substancji chemicznych, syntetyzują kwasy żółciowe wykorzystywane w trawieniu tłuszczów oraz neutralizują związki powstające w wyniku ekspozycji na wolne rodniki tlenowe (atomy tlenu, o niesparowanych elektronach, które uszkadzają makrocząsteczki). Peroksysomy są liczne i duże w komórkach wątroby i nerek, narządach pełniących funkcje detoksykacyjne.
Adrenoleukodystrofia jest przykładem choroby genetycznej powodowanej brakiem enzymu peroksysomalnego. U pacjentów w konsekwencji tego braku, w mózgu i rdzeniu kręgowym, gromadzi się przez to rodzaj lipidu - kwasu tłuszczowego o bardzo długich łańcuchach. Wczesne objawy choroby obejmują niski poziom cukru we krwi, ciemnienie skóry, osłabienie siły mięśni, utratę wzroku, zmiany behawioralne i poznawcze oraz nieregularne bicie serca. Pacjent ostatecznie traci kontrolę nad kończynami i zazwyczaj umiera w ciągu kilku lat od wystąpienia objawów. Terapia genowa, polegająca na wprowadzeniu do organizmu funkcjonalnej kopii genu, może zatrzymać postęp choroby lub w połączeniu z badaniami przesiewowymi noworodków zahamować jej rozwój (terapia genowa została omówiona w rozdziale 22).
Przetwarzanie energii - mitochondria
Rycina 2.6 Lizosomy stanowią centra utylizacji. Lizosomy, łącząc się z pęcherzykami lub uszkodzonymi organellami, aktywują znajdujące się wewnątrz nich enzymy w celu recyklingu cząsteczek. Enzymy lizosomalne rozkładają również resztki bakterii. Enzymy te do funkcjonowania wymagają silnie kwaśnego środowiskaŹródło: Profesorowie Pietro M. Motta i Tomonori Naguro/Science Source
Komórki potrzebują energii w sposób ciągły, aby przeprowadzać reakcje biochemiczne utrzymujące je przy życiu. Organelle nazywane mitochondriami dostarczają energię poprzez rozbijanie wiązań chemicznych w cząsteczkach składników odżywczych z pożywienia.
Mitochondrium ma zewnętrzną błonę podobną do tej w ER i aparacie Golgiego oraz silnie pofałdowaną błonę wewnętrzną, tworzącą grzebienie mitochondrialne (rycina 2.7). W tych fałdach znajdują się enzymy katalizujące reakcje biochemiczne, które uwalniają energię z cząstek substancji pokarmowych. Uwolniona energia jest wychwytywana i przechowywana w wiązaniach, które spajają cząsteczkę zwaną adenozynotrifosforanem (ATP). W ten sposób ATP działa trochę jak energetyczna karta debetowa.
W komórce, w zależności od jej stanu funkcjonalnego, może znajdować się od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy mitochondriów. Typowa komórka wątroby ma około 1700 mitochondriów, ale komórka mięśniowa z jej dużym zapotrzebowaniem energetycznym już 10 000. Głównym objawem chorób uszkadzających mitochondria jest zmęczenie. Mitochondria zawierają niewielką ilość DNA o odmiennej sekwencji niż DNA jądrowy (patrz rycina 5.8). W rozdziale 5 omówiono dziedziczenie mitochondrialne i choroby mitochondrialne, rozdział 17 opisuje, jak geny mitochondrialne dostarczają informacji na temat ewolucji człowieka.
Tabela 2.3 podsumowuje struktury i funkcje organelli.
Błony biologiczne
Podobnie jak charakter społeczności jest kształtowany przez ludzi, którzy ją tworzą (wchodzą w jej skład i ją opuszczają), tak cechy charakterystyczne różnych typów komórek są kształtowane częściowo przez substancje, które do nich wchodzą i je opuszczają. Błona plazmatyczna całkowicie otacza komórkę i monitoruje przemieszczanie się cząsteczek do wnętrza i na zewnątrz. Sposób, w jaki cząsteczki wchodzące w skład błony plazmatycznej są powiązane ze sobą, determinuje, które substancje mogą wejść do komórki lub ją opuścić.
Błony tworzą ponadto zewnętrzne granice mitochondriów, lizosomów, peroksysomów oraz pęcherzyków. Obejmują również inne organelle, takie jak retikulum endoplazmatyczne i aparat Golgiego. Błony komórkowe to coś więcej niż zwykłe pokrycia organelli, a osadzone w nich cząsteczki mają określone funkcje.
Struktura błon
Rycina 2.7 Mitochondrium przetwarza energię. Grzebienie (cristae) to fałdy wewnętrznej błony mitochondrium, które zwiększają dostępną powierzchnię błony zawierającą enzymy potrzebne do reakcji energetycznych. Mitochondria mają własny DNAŹródło: Bill Longcore/Science Source
Błona biologiczna ma charakterystyczną strukturę. Jest to podwójna warstwa (dwuwarstwa) cząsteczek zwanych fosfolipidami. Fosfolipid to cząsteczka tłuszczu z przyłączonymi grupami fosforanowymi. Grupa fosforanowa to atom fosforu związany z czterema atomami tlenu. Fosfolipidy przedstawiane są symbolicznie jako głowa z dwoma równoległymi ogonami złożonymi z grup chemicznych nazywanych kwasami tłuszczowymi, co pokazano na rycinie 2.8.
Cząsteczki lipidów mają tendencję do samoorganizacji w płaskie warstwy (arkusze), co umożliwia tworzenie błon biologicznych. Cząsteczki tworzą warstwy, ponieważ ich końce w różny sposób oddziaływają z wodą. Fosforanowy koniec fosfolipidów jest przyciągany do wody, jest zatem hydrofilowy (lubiący wodę); przeciwny koniec, zawierający dwa łańcuchy kwasów tłuszczowych, odsuwa się od wody, jest więc hydrofobowy (uciekający od wody). Dzięki tym właściwościom cząsteczki fosfolipidów w środowisku wodnym spontanicznie tworzą dwuwarstwy. Ich hydrofilowe powierzchnie wystawione są na takie środowisko na zewnątrz i wewnątrz komórki. Hydrofobowe powierzchnie są zwrócone do siebie wewnątrz dwuwarstwy z dala od środowiska wodnego, blokując przemieszczanie (wejście i wyjście) większości substancji rozpuszczających się w wodzie. Jednakże niektóre cząsteczki mogą przekraczać błonę dzięki białkom, które tworzą przejścia, lub wówczas, gdy są chwilowo połączone z białkami "nośnikowymi".
Niektóre białka błonowe tworzą kanały dla jonów (atomów lub cząsteczek z ładunkiem elektrycznym). Kanałopatie to choroby, które wynikają z nieprawidłowego funkcjonowania kanałów jonowych. Na przykład rycina 1.5 przedstawia kanał jonowy, który jest uszkodzony w mukowiscydozie. Inny typ kanałopatii może powodować ekstremalny ból przy braku widocznego bodźca albo brak bólu w sytuacjach uzasadnionych do jego wystąpienia. Jeden z takich słynnych przypadków dotyczył chłopca, który zabawiał tłumy w Pakistanie, chodząc po rozżarzonych węglach i dźgając się nożem. Miał on mutacje w jednym z dziesięciu genów, tworzących podjednostki kanałów transportujących jony sodu do komórki. Badania prowadzone nad zespołami bólowymi mają na celu opracowanie nowych środków przeciwbólowych.
Tabela 2.3
Struktury i funkcje organelli
Organellum
Struktura
Funkcja
Retikulum endoplazmatyczne
Sieć błon; szorstkie ER zawiera rybosomy gładkie ER ich nie ma
Miejsce syntezy i fałdowania białek; synteza lipidów
Aparat Golgiego
Stosy błonowych woreczków
Miejsce, gdzie cukry są wytwarzane i łączone w wielocukry lub przyłączane do lipidów lub białek; białka kończą fałdowanie; przechowywane są wydzieliny
Lizosom
Błonowy woreczek zawierający enzymy trawienne
Uwalnia energię z substancji odżywczych
Mitochondrium
Struktura ograniczona dwoma błonami; błona wewnętrzna pokryta jest enzymami
Uwalnia energię z substancji odżywczych
Jądro
Porowata struktura ograniczona podwójną błoną zawierająca DNA
Oddziela DNA od reszty komórki
Peroksysom
Błonowy woreczek zawierający enzymy
Rozkłada i usuwa różne toksyczne cząsteczki
Rybosom
Dwie powiązane sferyczne podjednostki zbudowane z RNA i białka
Miejsce przeprowadzania syntezy białek
Pęcherzyk
Woreczek otoczony błoną
Tymczasowo przechowuje lub transportuje substancje
W podwójnej warstwie fosfolipidowej błon biologicznych osadzone są białka. Niektóre przechodzą przez całą strukturę, podczas gdy inne rozciągają się od jednej lub obu ścian (rycina 2.8). Dwuwarstwa fosfolipidowa jest oleista, a niektóre białka przemieszczają się w niej jak statki na morzu.
Błona plazmatyczna umożliwia komunikację komórka-komórka
Białka, glikoproteiny i glikolipidy wystające z błony komórkowej tworzą powierzchnie, które są istotne dla funkcji komórki oraz jej interakcji z innymi komórkami. Powierzchnie komórek danej osoby wskazują nie tylko na to, że są częścią tego konkretnego ciała, lecz także na to, że są częścią określonego organu i typu tkanki w tym organie.
Wiele cząsteczek wystających z błony komórkowej to receptory, które są strukturami posiadającymi zagłębienia lub inne kształty, które pasują do specyficznych cząsteczek na zewnątrz innej komórki. Cząsteczka, wiążąca się z receptorem, nazywana ligandem, może uruchomić kaskadę reakcji chemicznych wewnątrz komórki, prowadząc do wykonania określonej czynności, jaką jest na przykład podział komórkowy.
W procesie komunikacji komórkowej, zwanym przekazywaniem (transdukcją) sygnału, seria cząsteczek będących częścią błony komórkowej tworzy szlaki, które wykrywają sygnały z zewnątrz komórki i przekazują je do wnętrza, gdzie inne cząsteczki koordynują odpowiedź komórkową. W innym procesie, zwanym adhezją komórkową, błona komórkowa pomaga komórkom przylegać do niektórych innych komórek. Te połączenia komórka-komórka są ważne przy tworzeniu tkanek.
Błędna transdukcja sygnału lub adhezja komórkowa mogą negatywnie wpływać na stan zdrowia. Na przykład rak wynika z niezdolności komórek do rozpoznania lub reagowania na sygnały, hamujące ich podział. Komórki rakowe mają również nietypową adhezję komórkową, co pozwala im na inwazję zdrowych tkanek.
Rycina 2.8 Anatomia błony komórkowej. Ruchome białka są osadzone w dwuwarstwie fosfolipidowej. Białka z przyłączonymi węglowodanami to glikoproteiny. Węglowodany wystające po zewnętrznej stronie błony to glikolipidy. Wstawka (po lewej) pokazuje cząsteczkę fosfolipidu
Cytoszkielet
Cytoszkielet to sieć włókien białkowych, mających postać pręcików i pustych rureczek, która tworzy architekturę komórki, pozycjonując organelle i nadając jej ogólny trójwymiarowy kształt. Białka cytoszkieletu są stale rozkładane i odbudowywane, gdy komórka wykonuje określone czynności. Niektóre elementy cytoszkieletu pełnią funkcję szyn, do transportu zawartości komórki; inne części, zwane cząsteczkami motorowymi, napędzają ruch organelli wzdłuż tych szyn, przekształcając energię chemiczną w energię mechaniczną.
Cytoszkielet obejmuje trzy główne typy elementów - mikrotubule, mikrofilamenty i filamenty pośrednie (rycina 2.9). Różnią się one typem tworzącego je białka, średnicą i sposobem agregacji w większe struktury. Inne białka łączą te elementy, tworząc strukturę, która zapewnia komórce sztywność, zdolność do opierania się siłom na nie działającym i utrzymywania kształtu.
Długie, puste mikrotubule zapewniają wiele ruchów komórkowych. Mikrotubula składa się z par (dimerów) białka, zwanego tubuliną, złożonych w pustą rurkę. Dodawanie lub usuwanie cząsteczek tubuliny zmienia długość mikrotubuli.
Komórki zawierają zarówno uformowane mikrotubule, jak i pojedyncze cząsteczki tubuliny. Gdy komórka potrzebuje mikrotubuli do wykonania określonej funkcji - na przykład podziału komórkowego - wolne dimery tubuliny samoorganizują się w większą liczbę mikrotubul. Po podziale komórkowym niektóre z mikrotubul rozpadają się na oddzielne dimery tubuliny, uzupełniając zasoby budulcowe komórki. Komórki nieustannie składają i rozkładają mikrotubule.
Dodatkowe funkcje mikrotubul to utrzymywanie organizacji komórki i umożliwianie transportu substancji w jej wnętrzu. Nieprawidłowa budowa mikrotubul może uniemożliwiać neuroprzekaźnikom dotarcie do synaps między neuronami lub między neuronami a komórkami mięśniowymi, powodując choroby neurodegeneracyjne.
Rycina 2.9 Cytoszkielet zbudowany jest z włókien i kanalików białkowych. Trzy główne składniki cytoszkieletu to mikrotubule, filamenty pośrednie i mikrofilamenty. Dzięki specjalnym barwnikom cytoszkielety w komórkach, na zdjęciu na wstawce, są różowe z żółtozielonymi włóknami widocznymi pod mikroskopem. (Skrót ?m oznacza mikrometr, czyli jedną milionową część metra)Źródło: Dr. Gopal Murti/Science Photo Library/Alamy
Rycina 2.10 Rzęski są zbudowane z mikrotubul. Rzęski ruchome na powierzchniach komórek w drogach oddechowych przemieszczają wydzieliny, takie jak śluz. W przeciwieństwie do nich, rzęski pierwotne nie poruszają się, pełniąc funkcję "anteny odbiorczej" wykrywającej sygnały z otoczenia komórki. Ten schemat przedstawia wyłącznie ruchome rzęski
Mikrotubule tworzą włosowate struktury nazywane rzęskami, z łacińskiego "rzęsy (cilia) komórek" (rycina 2.10). Rzęski tworzą dwa typy: rzęski ruchome, które się poruszają, oraz rzęski pierwotne, które się nie poruszają, ale pełnią funkcję sensoryczną. Rzęski ruchome mają o jedną parę mikrotubul więcej niż rzęski pierwotne. Skoordynowany ruch rzęsek ruchomych generuje falę, która porusza komórkę lub przesuwa substancje wzdłuż jej powierzchni. Taki ruch wielu rzęsek przemieszczających substancję przypomina "surfowanie na tłumie" - gdy wykonawca skacze do publiczności, a następnie jest unoszony i przenoszony z powrotem na scenę. Podobnie rzęski ruchome przenoszą wdychane cząsteczki w górę i na zewnątrz przewodów oddechowych oraz przemieszczają komórki jajowe w żeńskim układzie rozrodczym. Ponieważ rzęski ruchome są tak powszechne, ich wady mogą powodować wiele objawów. Jedną z takich ciliopatii - choroby rzęsek - jest zespół Bardeta-Biedla, który powoduje otyłość, utratę wzroku, cukrzycę, zaburzenia poznawcze oraz obecność dodatkowych palców u rąk i/lub nóg. Kilka różnych typów zespołu Bardeta-Biedla wynika zarówno z uszkodzenia rzęsek ruchomych, jak i pierwotnych.
Wiele typów komórek ma rzęski pierwotne, które pełnią funkcje anten, odbierając sygnały z zewnątrz komórek i przekazując je do określonych miejsc wewnątrz. Rzęski pierwotne wykrywają światło wpadające do oczu, mocz opuszczający kanaliki nerkowe, przepływ krwi z naczyń w sercu i nacisk na chrząstkę. Pomimo że rzęski pierwotne nie poruszają się, pobudzają niektóre komórki do ruchu, takie jak te, które tworzą narządy w zarodku, oraz te, które pomagają w gojeniu się ran. Brak rzęsek pierwotnych może być szkodliwy dla zdrowia jak w przypadku policystycznej choroby nerek. Komórki mogą mieć wiele rzęsek ruchomych, ale zazwyczaj mają tylko jedną rzęskę, która się nie porusza.
Mikrofilamenty to długie, cienkie pałeczki złożone z wielu cząsteczek białka aktyny. Są pełne i węższe od mikrotubul, umożliwiają komórkom wytrzymywanie naprężeń (rozciąganie i skracanie) oraz pomagają we wzajemnym zakotwiczaniu się komórek. Mikrofilamenty pełnią wiele innych funkcji w komórce dzięki białkom, które oddziałują z aktyną. Brak któregokolwiek z białek lub obecność jego nieprawidłowej formy może powodować chorobę o podłożu genetycznym. Część cytoszkieletu związana z aktyną jest nieprawidłowa w chorobie Alzheimera oraz w niektórych chorobach mięśnia sercowego.
Filamenty pośrednie mają wymiary pośrednie pomiędzy mikrotubulami a mikrofilamentami. W przeciwieństwie do innych elementów cytoszkieletu filamenty pośrednie w różnych typach komórek złożone są z różnych typów białek. Jednak wszystkie składają się ze zwiniętych par białek tworzących zakotwiczone skręcone włókna. W wielu typach komórek filamenty pośrednie występują rzadko, ale obficie w komórkach nerwowych i skórnych. Ramka Aspekty kliniczne 2.2 opisuje, jak nieprawidłowe filamenty pośrednie wpływają na kilka typów komórek u dziewczynki z rzadką chorobą zwaną neuropatią z olbrzymimi aksonami.
Pytania o zagadnienia kluczowe 2.2
a. Co ma komórka eukariotyczna, czego nie ma komórka prokariotyczna?
b. Wymień chemiczne składniki komórek.
c. Wyjaśnij ogólne funkcje organelli.
d. Opisz organelle, które współdziałają podczas wydzielania, degradacji odpadów i pozyskiwania energii przez komórkę.
e. Wymień składniki błony plazmatycznej.
f. Scharakteryzuj cytoszkielet.
Aspekty kliniczne 2.2
Dziewczynka z olbrzymimi aksonami
Komórki Hannah Sames nie produkują białka gigaksoniny, które zazwyczaj rozkłada filamenty pośrednie i przetwarza ich składniki. W komórkach włosów Hannah (rycina 2B) filamenty pośrednie zbudowane z białek keratynowych gromadzą się, powodując skręcenie włókien. W jej neuronach różne rodzaje białek filamentów pośrednich gromadzą się, uszkadzając długie wypustki nerwowe (aksony), które przesyłają sygnały do jej mięśni. Hannah jest jedną z kilkudziesięciu osób na świecie, u których zdiagnozowano neuropatię z olbrzymimi aksonami (ang. giant axonal neuropathy, GAN).
Hannah urodziła się 5 marca 2004 roku, rodzice i siostry byli wtedy zachwyceni jej kręconymi włosami, podczas gdy ich były idealnie proste. Wszystko wydawało się w porządku, aż do momentu, gdy Hannah miała 2 lata i 5 miesięcy, a jej babcia zauważyła, że łuk stopy lewej nogi dziewczynki pochylał się do wewnątrz. Lekarze sądzili, że Hannah z tego wyrośnie, ale do trzecich urodzin oba łuki były nieprawidłowe, a chód dziewczynki stał się niezgrabny. Lekarze wciąż nie byli zaniepokojeni. Wtedy ciotka Hannah przedstawiła fizjoterapeucie, z którym pracowała, wideo z telefonu pokazujące chód Hannah. Fizjoterapeuta stwierdził, że przypomina on chód dziecka z dystrofią mięśniową.
Kiedy pediatra zgodził się z diagnozą, że Hannah może mieć formę dystrofii mięśniowej, u dziecka w końcu przeprowadzono testy genetyczne. Objęły one najbardziej powszechne dziedziczne choroby dziecięce z uszkodzeniem nerwów i mięśnie. Uzyskane wyniki były jednak prawidłowe. Następnie, podczas wizyty u neurologa dziecięcego, lekarz spojrzał na Hannah, sięgnął po duży podręcznik z górnej półki, przejrzał go i pokazał Lori i Mattowi, rodzicom dziewczynki, zdjęcie szczupłego chłopca z kręconymi włosami, wysokim czołem i aparatami ortopedycznymi tuż poniżej kolan. Wyglądał zupełnie jak Hannah - cierpiał na GAN.
Test na obecność mutacji w genie gigaksoniny potwierdził diagnozę. Hannah miała dwie identyczne "delecje" - nie miała genu w ogóle. Lori i Matt byli zdruzgotani informacją od genetyka klinicznego, że nie ma żadnych terapii ani badań prowadzonych nad tą niezwykle rzadką chorobą. Rodzice nie mogli się z tym faktem pogodzić i w ciągu kilku dni założyli fundację Hannah's Hope, która sfinansowała rozwój terapii genowej (patrz podrozdział 22.3), pierwszej wprowadzanej do rdzenia kręgowego. Terapia genowa miała dodawać funkcjonalny gen kodujący białko, którego ciało Hannah nie mogło produkować. Jeśli wszystko poszłoby dobrze, geny trafiłyby do jej neuronów ruchowych. Według najlepszego scenariusza terapia genowa byłaby działaniem typu "jeden raz i koniec".
Hannah otrzymała funkcjonalne geny gigaksoniny tuż po swoich dwunastych urodzinach w 2016 roku. W tym czasie używała już wózka inwalidzkiego i zaczynała mieć trudności z mówieniem i widzeniem. W 2022 roku uczestniczyła w balu maturalnym. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, terapia genowa zatrzyma postęp choroby. Tymczasem Hannah intensywnie pracuje nad wzmocnieniem mięśni.
Pytania do dyskusji
1. Czy neurolog dziecięcy postawił diagnozę Hannah na podstawie jej genotypu czy fenotypu?
2. Co jest niezwykłego w filamentach pośrednich w porównaniu z mikrotubulami i mikrofilamentami?
3. Wyjaśnij, czym różni się terapia genowa od konwencjonalnego leku.
Rycina 2B Hannah Sames ma neuropatię z olbrzymimi aksonami, która wpływa na włókna pośrednie. Jej piękne loki są jednym z objawów choroby, ale ona woli dzisiaj prostować włosy. Dzięki uprzejmości Lori Somes. Zdjęcie: Dr Wendy Josephs
2.3 Podział i śmierć komórki
W ludzkim ciele nowe komórki powstają w miarę obumierania starych. Odbywa się to w różnych tkankach w różnym czasie. Wzrost, rozwój, utrzymanie organizmu w zdrowiu i leczenie chorób lub urazów wymagają skomplikowanej współzależności między tempem mitozy i cytokinezy, które dzielą odpowiednio DNA i resztę komórki, a apoptozą - formą śmierci komórki.
Ciało dorosłego człowieka składa się z około 30 bilionów komórek, a miliardy są wymieniane codziennie. Komórki muszą obumierać jako część normalnego procesu rozwoju. Formując organy, apoptoza tak jak rzeźbiarz, który ostrożnie usuwa glinę, aby uzyskać pożądany kształt, "rzeźbi" na przykład palce u rąk i nóg z pajęczych struktur, wyłaniających się z rozwijającej się formy zarodka (rycina 2.11). Apoptosis to greckie słowo oznaczające "opadające liście z drzewa". Jest to precyzyjna, genetycznie zaprogramowana sekwencja zdarzeń, która jest normalną częścią rozwoju.
Cykl komórkowy
Wiele podziałów komórkowych umożliwia zapłodnionej komórce jajowej rozwinięcie się w organizm składający się z wielu bilionów komórek. Seria procesów nazywanych cyklem komórkowym opisuje sekwencję zdarzeń, podczas których komórka przygotowuje się do podziału i przez niego przechodzi.
Rycina 2.11 Mitoza i apoptoza kształtują ciało. (a) Liczba komórek wzrasta w wyniku mitozy i zmniejsza się w wyniku apoptozy. (b) U zarodka apoptoza normalnie warunkuje powstawanie palców dłoni i stóp przez usuwanie komórek z połączonych struktur. W przypadku syndaktylii apoptoza nie zachodzi prawidłowo, a błony między palcami pozostają jak w tych dłoniachŹródło: (b): Alamy Limited/BEW
Tempo cyklu komórkowego jest zróżnicowane w różnych tkankach i w różnych okresach. Komórka wyściełająca wewnętrzną ścianę jelita cienkiego może dzielić się często, przez całe życie, podczas gdy neuron w mózgu może nie podzielić się nigdy. Komórka w najgłębszej warstwie skóry może dzielić się tak długo, jak żyje dana osoba, a nawet podzielić się kilka razy po jej śmierci. Częste podziały mitotyczne umożliwiają zarodkowi i płodowi szybki wzrost. Po urodzeniu tempo mitoz drastycznie maleje. Później podziały mitotyczne utrzymują liczbę i pozycję wyspecjalizowanych komórek w tkankach i organach.
Cykl komórkowy jest procesem ciągłym, chociaż opisujemy go jako etapy. Dwa główne to interfaza (bez podziału) i mitoza (podział) (rycina 2.12). W mitozie, zwanej również kariokinezą, komórka duplikuje swoje chromosomy. Następnie podczas cytokinezy rozdziela po jednym z zestawów chromosomów, wraz z organellami do każdej z dwóch powstałych komórek, określanych komórkami potomnymi. Podziały mitotyczne utrzymują charakterystyczny dla ludzkiej komórki zestaw 23 par chromosomów. Mejoza - inna forma podziału - prowadzi do powstania plemników i komórek jajowych, które mają połowę materiału genetycznego w porównaniu z komórkami somatycznymi (23 pojedyncze chromosomy, stanowiące jedną kopię genomu). W rozdziale 3 omawiana jest mejoza w kontekście rozwoju.
Interfaza - czas wielkiej aktywności
Podczas interfazy komórka kontynuuje podstawowe biochemiczne funkcje życia, jednocześnie replikując swój DNA i niektóre organelle. Interfaza jest podzielona na dwie fazy przerwy (faza G1 i faza G2) i jedną fazę syntezy (faza S). Ponadto komórka może opuścić cykl komórkowy w fazie G1, aby wejść w fazę spoczynku nazywaną G0. Komórka w tej fazie żyje i zachowuje swoją charakterystykę, ale nie replikuje DNA i nie dzieli się. Od fazy G0 komórka może przejść do mitozy i dzielić się albo obumrzeć. Apoptoza może nastąpić wtedy, gdy DNA komórki jest tak uszkodzony, że może dojść do rozwoju nowotworu. G0 to zatem ten moment, kiedy los komórki jest albo przesądzony, albo decyzja odłożona jest na później.
Rycina 2.12 Cykl komórkowy. Cykl komórkowy dzieli się na interfazę, kiedy replikowane są składniki komórkowe, oraz mitozę, podczas której komórka rozdziela swoje składniki między dwie komórki potomne. Interfaza dzieli się na fazy G1 i G2, kiedy komórka duplikuje określone cząsteczki i struktury, oraz fazę S, kiedy replikowany jest DNA. Mitoza (kariokineza) dzieli się na cztery etapy plus cytokinezę, podczas której komórki się rozdzielają. Faza G0 to faza spoczynkowa, "przerwa", podczas której komórka "decyduje" o dalszej drodze działania
W fazie G1 następującej po mitozie komórka wznawia syntezę białek, lipidów i węglowodanów. Te cząsteczki przyczynią się do budowy dodatkowej błony plazmatycznej, która jest wymagana do otoczenia dwóch nowych komórek powstających z jednej wyjściowej. G1 to faza cyklu komórkowego, której długość jest najbardziej zróżnicowana wśród różnych typów komórek. Powoli dzielące się komórki, takie jak te w wątrobie, mogą opuścić fazę G1 i wejść do fazy G0, gdzie pozostają przez lata. Natomiast szybko dzielące się komórki w szpiku kostnym przechodzą przez fazę G1 w ciągu 16 do 24 godzin. Komórki wczesnego zarodka mogą całkowicie pominąć G1.
W fazie S komórka replikuje cały swój genom. Odbywa się to jednocześnie z kilku punktów początkowych, co umożliwia wykonanie tego ogromnego zadania. Po replikacji DNA każdy chromosom składa się z dwóch kopii genomu połączonych w obszarze zwanym centromerem. W większości komórek ludzkich faza S trwa od 8 do 10 godzin. W tej fazie syntetyzowanych jest również wiele białek, między innymi tworzące się wrzeciono kariokinetyczne, które rozdzieli chromosomy potomne. Mikrotubule tworzą w pobliżu jądra struktury zwane centriolami. Mikrotubule centrioli wraz z innymi białkami są zorientowane pod kątem prostym względem siebie, tworząc parzyste podłużne struktury zwane centrosomami, które organizują inne mikrotubule we wrzeciono.
Faza G2 występuje po replikacji DNA, ale przed rozpoczęciem mitozy. Jest to czas syntezy kolejnych białek. Błony składane są z białek zsyntetyzowanych podczas G1 i przechowywane jako małe puste pęcherzyki pod błoną plazmatyczną. Aby powstała błona o wielkości wystarczającej do zamknięcia dwóch komórek potomnych, pęcherzyki te połączą się z błoną, jak ludzie dołączający do kręgu utworzonego przez innych trzymających się za ręce.
Mitoza - podział komórki
Rycina 2.13 Replikowane i niereplikowane chromosomy. Chromosomy są replikowane podczas fazy S, zanim rozpocznie się mitoza. Dwie genetycznie identyczne chromatydy zreplikowanego chromosomu łączą się w centromerze (a). Fotomikrografia (b) pokazuje zreplikowany chromosom ludzki. Niezreplikowany chromosom i każda siostrzana chromatyda to bardzo długie, pojedyncze cząsteczki DNA Źródło: (b): SPL/Science Source
Rycina 2.14 Mitoza w komórce ludzkiej. Zreplikowane chromosomy rozdzielają się i wędrują do dwóch komórek potomnych. W oddzielnym procesie, nazywanym cytokinezą, rozdzielane są cytoplazma i inne struktury komórkowe i także dzielone na dwie komórki potomne. (Nie wszystkie pary chromosomów są przedstawione)Zdjęcia: Ed Reschke
W momencie rozpoczęcia podziału mitotycznego, DNA jest ściśle zwijany, aż zreplikowane chromosomy zostaną wystarczająco skondensowane (jest to moment, gdy po wybarwieniu stają się widoczne pod mikroskopem). Długie pasma materiału chromosomowego w zreplikowanych chromosomach nazywane są chromatydami, i jeśli połączone są w centromerze, to są chromatydami siostrzanymi. Przestrzeń między chromatydami siostrzanymi nazywana jest bruzdą (rycina 2.13). W pewnym momencie mitozy centromer zreplikowanego chromosomu się rozszczepia. Pozwala to siostrzanym chromatydom rozdzielić się na dwa indywidualne chromosomy. Dlatego chromosom może być w formie niereplikowanej, w formie zreplikowanej składającej się z dwóch chromatyd siostrzanych lub rozwinięty i niewidoczny po zabarwieniu. Chociaż centromer zreplikowanego chromosomu wydaje się zwężony, jego DNA jest także zreplikowany.
Podczas profazy, pierwszego etapu mitozy, DNA ciasno się zwija. To zwijanie skraca i pogrubia chromosomy, ułatwiając ich rozdzielenie (rycina 2.14). Mikrotubule formują się w cytoplazmie z bloków budulcowych - tubuliny, tworząc wrzeciona. Pod koniec profazy błona jądrowa rozpada się. Jąderko przestaje być widoczne.
Po profazie następuje metafaza. Chromosomy przyczepiają się do wrzeciona na swoich centromerach i ustawiają się wzdłuż środka komórki, zwanego równikiem. Chromosomy w metafazie są pod dużym napięciem, ale wydają się nieruchome, ponieważ są ciągnięte z równą siłą z obu stron, jak lina przeciągana w zawodach.
Następnie, podczas anafazy, błona komórkowa wgłębia się w środku, gdzie ustawiają się chromosomy metafazowe. Na wewnętrznej stronie błony komórkowej tworzy się pasmo mikrofilamentów aktynowych, które zaciskają komórkę w jej środku. Następnie centromery się rozdzielają, co zmniejsza napięcie i powoduje, że jedna chromatyda z każdej pary przemieszcza się do przeciwnych końców komórki - jak w przypadku przeciąganej liny, która pęka w środku, a ciągnący rozdzielają się na dwie grupy.
W telofazie, końcowym etapie mitozy, komórka wygląda jak ciężarek z zestawem chromosomów na każdym końcu. Wrzeciono rozpada się, a jąderka i błony wokół jąder odtwarzają się na każdym końcu wydłużonej komórki. Podział materiału genetycznego jest teraz zakończony. Następnie, podczas cytokinezy, organelle i makrocząsteczki są rozdzielane między dwie komórki potomne. Na koniec pasmo mikrofilamentów kurczy się jak ściągacz, rozdzielając nowo uformowane komórki potomne.
Kontrola cyklu komórkowego
Kontrola mitozy to wyzwanie. Biliony mitoz dokonują się przez całe życie i nie są one przypadkowe. Kiedy i gdzie komórka somatyczna się podzieli, ma kluczowe znaczenie dla stanu zdrowia organizmu. Zbyt mała liczba mitoz oznacza, że uraz nie zostanie naprawiony; zbyt dużo - że powstanie nieprawidłowy rozrost. Grupy białek współdziałających w określonych momentach cyklu komórkowego, zwanych punktami kontrolnymi, zapewniają prawidłową replikację i rozdzielanie chromosomów do komórek potomnych (rycina 2.15). "Punkt kontrolny jakości DNA" chwilowo wstrzymuje cykl komórkowy, podczas gdy specjalne białka naprawiają uszkodzenia DNA. "Punkt kontrolny apoptozy" uruchamia się na początku mitozy. W tym momencie białka nazywane surwiwinami przełamują sygnały prowadzące do śmierci komórki, tak aby mogła zajść mitoza (podział), a nie apoptoza (śmierć). Później podczas mitozy "punkt kontrolny składania wrzeciona" nadzoruje powstawanie wrzeciona kariokinetycznego oraz przyłączanie do niego chromosomów.
Rycina 2.15 Punkty kontrolne cyklu komórkowego. Punkty kontrolne zapewniają prawidłową kolejność zachodzenia zdarzeń mitotycznych. Wiele typów nowotworów wynika z wadliwości punktów kontrolnych
Komórki przestrzegają wewnętrznego "zegara", który wskazuje im, ile razy mogą się podzielić. Komórki ssaków w hodowlach dzielą się około 40 do 60 razy. Zegar mitotyczny tyka w dół wraz z upływem czasu. Na przykład komórka tkanki łącznej płodu podzieli się około 50 razy. Podobna komórka u dorosłego dzieli się tylko 14 do 29 razy, ponieważ zużyła już część swoich podziałów.
Skąd komórka może "wiedzieć", ile podziałów jej pozostało? Odpowiedź leży w końcówkach chromosomów zwanych telomerami (rycina 2.16). Telomery działają jak bezpieczniki komórkowe, które zużywają się, tracąc fragmenty na końcach. Składają się z setek do tysięcy powtórzeń specyficznej sześcionukleotydowej sekwencji DNA (TTAGGG, rycina 13.2). Podczas każdej mitozy telomery tracą od 50 do 200 końcowych nukleotydów, stopniowo skracając chromosom. Po około 50 podziałach krytyczna długość DNA telomerów zostaje utracona, co sygnalizuje zatrzymanie mitozy. Komórka może pozostać żywa, ale już się nie podzieli lub może umrzeć.
Nie wszystkie komórki mają skracające się telomery. W komórkach jajowych i plemnikach, komórkach nowotworowych oraz w kilku typach normalnych komórek, które muszą ciągle dostarczać nowych (takich jak komórki szpiku kostnego), enzym zwany telomerazą utrzymuje długie końcówki chromosomów. Jednak większość komórek nie produkuje telomerazy, a ich chromosomy ulegają stopniowemu skróceniu.
Tempo skracania telomerów stanowi "zegar" komórkowy. Nie tylko odlicza pozostałą długość życia komórki, lecz może także reagować na bodźce środowiskowe. Przewlekły stres, otyłość, palenie, brak ćwiczeń i podwyższony poziom cukru we krwi są związane z przyspieszonym skracaniem telomerów.
Na zegar mitotyczny komórki mogą wpływać czynniki zewnętrzne. Zagęszczenie komórek może spowolnić lub zatrzymać podziały mitotyczne. Prawidłowe komórki rosnące w hodowli przestają się dzielić, gdy tworzą jednowarstwową powłokę wyścielającą naczynie hodowlane. To ograniczenie podziału nazywa się inhibicją kontaktową. Jeśli warstwa się przerwie, komórki znajdujące się na granicy przerwy rosną i dzielą się, wypełniając powstałą lukę. Komórki przestają się dzielić, gdy przestrzeń zostanie wypełniona. Być może podobny mechanizm w organizmie jest czynnikiem ograniczającym mitozy.
Hormony i czynniki wzrostu stanowią zewnętrzne sygnały chemiczne, kontrolujące cykl komórkowy. Hormon jest wytwarzany w gruczole i transportowany w krwiobiegu do innej części ciała, gdzie wywiera określony efekt. Na przykład hormony wydzielane w mózgu sygnalizują komórkom wyściełającym macicę młodej kobiety, aby co miesiąc namnażały się poprzez mitozę, przygotowując organizm do ewentualnej ciąży. Czynnik wzrostu działa bardziej lokalnie. Na przykład naskórkowy czynnik wzrostu stymuluje podział komórek w skórze pod strupem. Niektóre leki przeciwnowotworowe działają, zatykając receptory czynników wzrostu na powierzchni komórek nowotworowych i blokując sygnały do podziału.
Rycina 2.16 Telomery. Znaczniki fluorescencyjne oznaczają telomery w tej ludzkiej komórceŹródło: Health Protection Agency/Science Source
Dwa rodzaje białek, cykliny i kinazy, współdziałają wewnątrz komórek, aktywując geny, których produkty przeprowadzają mitozę. Te dwa rodzaje białek tworzą pary. Poziomy cyklin zmieniają się regularnie w całym cyklu komórkowym, podczas gdy poziom kinaz pozostaje ten sam. Określona liczba par cyklina-kinaza włącza geny, które uruchamiają mitozę. Następnie, gdy mitoza się rozpoczyna, enzymy degradują cykliny. Cykl zaczyna się od nowa, gdy cykliny zaczynają się gromadzić podczas następnej interfazy. Na kinazy skierowana jest grupa wysoce skutecznych leków przeciwnowotworowych.
Apoptoza
Apoptoza (programowana śmierć komórki - przyp. tłum.) jest procesem, w którym szybko i schludnie komórka zostaje rozmontowana na fragmenty zamknięte w błonach. Są one łatwe do usunięcia przez fagocyt (komórkę pochłaniającą i niszczącą inne, komórkę żerną - przyp. tłum.). To trochę jak pakowanie zawartości pokoju, w którym panuje bałagan do worków na śmieci, a następnie pozbywanie się wszystkiego. Przeciwieństwem apoptozy jest nekroza, forma śmierci komórki związana z zapaleniem i uszkodzeniem, a nie z uporządkowanym, kontrolowanym jej zniszczeniem. Apoptoza może wpływać na określone typy komórek. Na przykład eryptoza (zaprogramowana śmierć erytrocytu - przyp. tłum.) występuje w krwinkach czerwonych (erytrocytach) w odpowiedzi na ekspozycję na metale ciężkie, niedobór żelaza, niektóre infekcje, na przykład malarię, oraz choroby genetyczne, takie jak talasemia, anemia sierpowata i niedobór G6PD (enzymu niezbędnego do prawidłowego funkcjonowania krwinek - przyp. tłum.).
Podobnie jak mitoza, apoptoza jest procesem ciągłym. Zaczyna się w momencie, gdy receptor śmierci na błonie komórkowej otrzymuje sygnał do obumarcia komórki. W ciągu kilku sekund wewnątrz skazanej na zagładę komórki aktywowane są enzymy zwane kaspazami, które stymulują siebie nawzajem i rozcinają różne jej komponenty. Te enzymy-zabójcy:
- niszczą enzymy replikujące i naprawiające DNA;
- aktywują enzymy, które tną DNA na fragmenty o podobnej wielkości;
- rozrywają cytoszkielet, powodując zapadanie się jądra i kondensację DNA wewnątrz;
- aktywują mitochondria do uwalniania cząsteczek zwiększających aktywność kaspaz i kończących dostawy energii;
- znoszą zdolność komórki do przylegania do innych komórek;
- przyciągają fagocyty, które demontują pozostałości komórki.
Umierająca komórka ma charakterystyczny wygląd (rycina 2.17). Zaokrągla się, gdy jej kontakty z innymi komórkami zostają zerwane, a błona komórkowa uwypukla się, tworząc podobne do bąbelków wypustki - pęcherzyki (ang. blebs). Jądro pęka, uwalniając fragmenty DNA, a mitochondria ulegają rozkładowi. Następnie komórka się rozpada. Niemal natychmiast fragmenty błony otaczają fragmenty komórki, co zapobiega powstaniu stanu zapalnego. W ciągu godziny komórka znika.
Od powstania zarodka przez cały rozwój mitoza i apoptoza są zsynchronizowane, dzięki czemu tkanka ani nie rośnie nadmiernie, ani się nie kurczy. W ten sposób wątroba dziecka w okresie dorastania powiększa się, ale zachowuje swój kształt. Podczas wczesnego rozwoju, podczas tworzenia nowych struktur, mitoza i apoptoza harmonizują wzrost i spadek liczby komórek. Później procesy te mają charakter ochronny - mitoza tworzy nową skórę, aby wyleczyć otarcie na kolanie; apoptoza prowadzi do złuszczania spalonych słońcem komórek skóry, które w przeciwnym razie mogłyby stać się nowotworowymi.
Rozrost nowotworowy jest głębokim zaburzeniem równowagi między podziałem komórek a ich śmiercią. W tym przypadku mitoza zachodzi zbyt często lub zbyt wiele razy, lub apoptoza zbyt rzadko. Zrozumienie przebiegu cyklu komórkowego doprowadziło do opracowania wielu leków przeciwnowotworowych. Problem nowotworów został omówiony szczegółowo w rozdziale 20.
Pytania o zagadnienia kluczowe 2.3
a. Wyjaśnij, co może się stać, jeśli tempo mitozy i apoptozy nie jest zrównoważone.
b. Wymień fazy cyklu komórkowego.
c. Wymień etapy mitozy.
d. Opisz, co dzieje się na każdym etapie mitozy.
e. Co to są chromatydy siostrzane?
f. Wyjaśnij, w jaki sposób telomery, zagęszczenie komórek, hormony i czynniki wzrostu oraz cykliny i kinazy kontrolują cykl komórkowy.
g. Wymień zdarzenia apoptozy.
Rycina 2.17 Śmierć komórki. Kaspazy niszczą wnętrze komórki. Fagocyty trawią jej pozostałości. Zwróć uwagę na pęcherzyki na obumierających komórkach wątroby na górnym zdjęciu. Łuszczenie się poparzenia słonecznego jest jednym z przykładów apoptozyŹródło: (góra): David McCarthy/Photo Researchers/ Science Source; (dół): larisa Stefanjuk/Shutterstock
2.4 Komórki macierzyste
Rycina 2.18 Komórki macierzyste i komórki progenitorowe. Komórka macierzysta jest mniej wyspecjalizowana niż komórka progenitorowa, która z niej powstaje w wyniku mitozy. Komórki macierzyste dostarczają "surowego materiału" do wytwarzania wyspecjalizowanych komórek, zachowując jednocześnie zdolność do generowania nowych komórek (samoodnawianie). Hematopoetyczna komórka macierzysta w szpiku kostnym produkuje komórki progenitorowe, których komórki potomne różnicują się w określone typy komórek krwi
Rosnące ciało musi utrzymywać odpowiednie proporcje i liczbę różnych typów komórek. Czerwone krwinki są zdecydowanie najliczniejszym typem komórek w ludzkim ciele. Natomiast najlepiej nam znane typy komórek, takie jak komórki tłuszczowe i mięśniowe, stanowią zaledwie 0,2 % lub mniej całkowitej ich liczby. Czerwone krwinki są tak liczne, ponieważ są drobne.
Ciała rosną i leczą się, ponieważ niektóre komórki zachowują zdolność do podziału, generując nowe komórki podobne do siebie oraz komórki, które się specjalizują. Komórki macierzyste i komórki progenitorowe odnawiają tkanki, umożliwiając wzrost organizmu. Kiedy komórki zostają utracone na skutek apoptozy, urazu lub choroby, powstają nowe komórki, aby je zastąpić.
Linie komórkowe
Komórka macierzysta przechodzi mitozę, dając albo dwie komórki potomne, które są komórkami macierzystymi podobnymi do niej samej, albo jedną komórkę macierzystą i jedną częściowo wyspecjalizowaną komórkę progenitorową (rycina 2.18). Charakterystyczna cecha samoodnowy, która sprawia, że komórka macierzysta jest właśnie komórką macierzystą - to jej zdolność do podziału dającego początek innej komórce, takiej samej jak ona. W przeciwieństwie do komórki macierzystej komórka progenitorowa nie może się odnawiać, a jej komórki potomne różnicują się w jeden z ograniczonych typów komórek.
W pełni zróżnicowana komórka, taka jak dojrzała komórka krwi, pochodzi z serii coraz bardziej wyspecjalizowanych pośrednich komórek progenitorowych, z których każda jest coraz mniej podobna do komórki macierzystej i coraz bardziej podobna do krwinki. Naszych 290 różnych typów komórek rozwija się sekwencyjnie z linii komórek macierzystych, progenitorowych i coraz bardziej zróżnicowanych komórek potomnych. Rycina 2.19 przedstawia fragmenty powstawania kilku linii komórkowych.
Komórki macierzyste i komórki progenitorowe są opisywane w kategoriach potencjału rozwojowego - to znaczy zdolności różnicowania się komórek potomnych. Zapłodniona komórka jajowa jest krańcowym przykładem komórki macierzystej. Jest totipotencjalna, co oznacza, że może dać początek każdemu typowi komórek, w tym komórkom błon wspierających embrion. Inne komórki macierzyste i komórki progenitorowe są pluripotencjalne: ich komórki potomne mają mniej możliwości różnicowania. Niektóre są multipotencjalne: ich komórki potomne mają tylko kilka rozwojowych "wyborów". Różnica między komórką macierzystą a komórką progenitorową jest trochę jak porównanie wyborów studenta pierwszego roku zastanawiającego się nad wieloma kierunkami nauki ze studentem trzeciego roku skoncentrowanym na wybranych już kursach.
Rycina 2.19 Ścieżki różnicowania komórek. Wszystkie komórki w ciele człowieka pochodzą z komórek macierzystych, poprzez procesy mitozy i różnicowania. Zróżnicowane komórki na końcach ścieżek są częścią tkanek łącznych (krew, tkanka łączna i kość), ale komórki krwi są bliżej spokrewnione ze sobą nawzajem niż z dwoma pozostałymi typami komórek. W prawym górnym rogu komórki skóry i gruczołów łojowych mają wspólną bliższą komórkę progenitorową, ale obie mają również wspólnego bardziej odległego progenitora z neuronami i astrocytami. Wyobraź sobie, jak złożona byłaby ilustracja, gdyby przedstawiała wszystkie ponad 290 typów komórek w ciele człowieka!
W miarę specjalizacji komórek dochodzi do ekspresji wybranych genów, podczas gdy inne są ignorowane. Niedojrzała komórka kostna powstaje z komórki progenitorowej, wytwarzając enzymy i białka wiążące minerały. Dla kontrastu, niedojrzała komórka mięśniowa, powstająca z progenitorowych komórek mięśnia, gromadzi białka kurczliwe. Komórka kostna nie produkuje więc białek mięśniowych i odwrotnie - komórka mięśniowa nie produkuje białek kostnych. Wszystkie komórki produkują białka metabolizmu podstawowego (ang. housekeeping) niezbędne do pozyskiwania energii i syntezy białek.
Wiele narządów (jeśli nie wszystkie) w ciele dorosłego człowieka ma komórki macierzyste lub progenitorowe. Komórki te mogą się dzielić, gdy wystąpi uraz lub choroba. Mogą też generować nowe komórki zastępujące uszkodzone. Komórki macierzyste dla osoby dorosłej mogą zostać zachowane już na etapie zarodka lub płodu jako zabezpieczenie przyszłych terapii. Niektóre komórki macierzyste, jak te ze szpiku kostnego, mogą przemieszczać się i zastępować uszkodzone lub martwe komórki w innych miejscach ciała w odpowiedzi na sygnały uwalniane podczas urazu lub choroby. Ponieważ każda komórka, z wyjątkiem czerwonych krwinek, zawiera pełny zestaw DNA danej osoby, to dowolny rodzaj komórek, po otrzymaniu odpowiednich sygnałów, teoretycznie może stać się dowolnym innym rodzajem. Ta koncepcja jest podstawą niektórych technologii wykorzystujących komórki macierzyste.
Badania naukowe nad komórkami macierzystymi są prowadzone w celu lepszego poznania ich biologii i opracowania metod leczenia różnych chorób i urazów - nie tylko chorób dziedzicznych. Komórki macierzyste stosowane w praktyce klinicznej pochodzą od dawców lub są to własne komórki pacjentów, jak pokazano na rycinie 2.20. Komórki mogą być produkowane na skalę masową w warunkach laboratoryjnych, a jeśli pochodzą od komórek pacjenta, są z nim zgodne genetycznie.
Źródła komórek macierzystych
Rycina 2.20 Wykorzystanie komórek macierzystych do leczenia. (a) Komórki macierzyste od dawców (szpik kostny lub krew pępowinowa) są używane od dziesięcioleci. (b) Komórki danej osoby mogą być używane w niezmienionej postaci do zastępowania uszkodzonej tkanki, takiej jak szpik kostny. (c) Możliwe jest "przeprogramowanie" komórek danej osoby w hodowli, przywrócenie ich do mniej wyspecjalizowanego stanu, a następnie pielęgnowanie ich w celu różnicowania się w potrzebny typ komórek
Komórki macierzyste mają trzy główne źródła: komórki macierzyste zarodkowe (embrionalne, ang. embryonic stem cells, ES), indukowane komórki pluripotencjalne (ang. induced pluripotent stem cells, iPS) oraz somatyczne (dorosłe) komórki macierzyste (ang. "adult" stem cells) (tabela 2.4).
Komórki macierzyste zarodkowe (ES) uzyskiwane są w hodowlach laboratoryjnych z komórek pobranych na bardzo wczesnym etapie rozwoju zarodka z grupy komórek stanowiących węzeł zarodkowy (ang. inner cell mass, ICM) (patrz rycina 3.16). Niektóre komórki węzła zarodkowego, w pewnych warunkach, stają się pluripotencjalne i mogą się samoodnawiać - to znaczy, że działają jako komórki macierzyste.
Komórki embrionalne (ICM) używane do pozyskiwania ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (ES) mogą pochodzić z dwóch źródeł. Jednym z nich są niewykorzystane zarodki z klinik leczenia niepłodności, które w przeciwnym razie zostałyby zniszczone. Drugim źródłem jest proces zwany transferem jądra komórki somatycznej, w którym jądro z komórki somatycznej (takiej jak fibroblast skóry) jest przenoszone do komórki jajowej, z której usunięto własne jądro. Z rozwijającego się z takiej komórki zarodka pobierane są komórki węzła zarodkowego i wykorzystywane do tworzenia embrionalnych komórek macierzystych. Naukowcy mogą również uzyskać embrionalne komórki macierzyste, nie wykorzystując zarodków, poprzez transfer jądra komórki somatycznej do komórek jajowych (uprzednio pozbawionych własnego jądra - przyp. tłum.). Transfer jądra komórki somatycznej jest popularnie nazywany "klonowaniem", ponieważ kopiuje genom dawcy jądra. Metoda klonowania zyskała rozgłos w 1996 roku dzięki owcy Dolly, której oryginalne jądro pochodziło z komórki gruczołu mlekowego 6-letniej owcy. Wiek dawcy może być powodem, dla którego Dolly nie żyła tak długo, jak owca poczęta w sposób naturalny. W rozdziale 3, w ramce Bioetyka, omawiane jest zagadnienie "Dlaczego klon nie jest dokładnym duplikatem".
Tabela 2.4
Źródła komórek macierzystych
Rodzaje komórek macierzystych
Źródło
Zarodkowe (embrionalne) komórki macierzyste
Pobrane z węzła zarodkowego; transfer jądra komórki somatycznej do komórki jajowej
Indukowane komórki pluripotencjalne
Geny lub inne substancje chemiczne przeprogramowują jądro komórki somatycznej; nie są wymagane embriony
Somatyczne komórki macierzyste
Komórki somatyczne, które funkcjonują jako komórki macierzyste, pochodzące z dowolnego etapu rozwojowego od komórki jajowej do wieku starszego
Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPS) to komórki somatyczne, które zostały "przeprogramowane" tak, aby mogły różnicować się w jeden z kilku typów komórek. Przeprogramowanie może cofnąć komórkę w rozwoju do stanu podobnego do komórek macierzystych zarodka. Następnie komórka dzieli się, dając początek komórkom, które różnicują się do pożądanych typów komórek. Komórki mogą także zostać przeprogramowane bezpośrednio w określony typ komórek.
Instrukcje przeprogramowania mogą mieć postać DNA, RNA lub innych czynników chemicznych. Indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste nie wymagają pozyskiwania komórek z zarodka i są genetycznie zgodne z tymi komórkami, od których pochodzą. Powszechnym podejściem jest wyprowadzanie komórek pluripotencjalnych z komórek pochodzących ze skóry - fibroblastów - a następnie różnicowanie ich w interesujący typ komórek.
Wracając do analogii z kierunkiem studiów, przeprogramowanie komórki jest jak decyzja studenta ostatniego roku o zmianie kierunku studiów. Student francuskiego chcący zostać inżynierem musiałby zacząć od nowa, wybierając zupełnie inne kursy. Student biologii chcący zostać chemikiem nie musiałby zaczynać od zera, ponieważ wiele tych samych przedmiotów dotyczy obu kierunków. Podobnie jest w przypadku komórek macierzystych. Pobranie komórki skóry od mężczyzny z chorobą serca i wyprowadzenie zdrowej komórki mięśnia sercowego może wymagać przywrócenia tej pierwotnej komórki do stanu ES lub iPS, ponieważ komórki skóry i mięśnia sercowego pochodzą z zupełnie innych linii. Natomiast przekształcenie komórki mięśnia szkieletowego w komórkę mięśnia gładkiego wymaga mniej kroków wstecz, ponieważ obie różnicują się od tego samego typu komórek progenitorowych.
Trzecim źródłem komórek macierzystych są te, które naturalnie są częścią ciała. Nazywane są tkankowo-specyficznymi lub somatycznymi (dorosłymi) komórkami macierzystymi, ponieważ znajdują się w tkankach zarodków, płodów i dzieci, a nie tylko w ciałach dorosłych. Somatyczne komórki macierzyste odnawiają się samoistnie, ale większość daje początek tylko kilku typom wyspecjalizowanych komórek potomnych. Naukowcy wciąż odkrywają nisze somatycznych komórek macierzystych ciała, a także narządy, które ich nie posiadają, na przykład serce. Wiele potencjalnie wartościowych dorosłych komórek macierzystych jest wyrzucanych jako odpady medyczne po operacjach.
Zastosowania komórek macierzystych
Komórki macierzyste znalazły zastosowanie w czterech podstawowych obszarach medycyny. Pierwszym z nich jest opracowywanie nowych leków. Stanowią one źródło hodowli ludzkich komórek dotkniętych konkretną chorobą, których uzyskanie w warunkach laboratoryjnych byłoby trudne lub niemożliwe. Leki testowane są właśnie na tych komórkach. Komórki wątroby pochodzące z komórek macierzystych są szczególnie przydatne do testowania leków pod kątem skutków ubocznych, ponieważ wątroba odtruwa wiele substancji. Wykorzystanie komórek macierzystych w testowaniu leków może zminimalizować konieczność przeprowadzania badań na zwierzętach i wyeliminować potencjalne leki o skutkach ubocznych, zanim zostaną przetestowane na ludziach.
Komórki macierzyste są również wykorzystywane do konstruowania fragmentów narządów, tzw. organoidów, które również można wykorzystać do testowania leków. Na przykład organoid pochodzący z kawałka jelita cienkiego rozwija aksamitne wypustki wyściółki, przez które składniki odżywcze i leki są wchłaniane do krwiobiegu. Taki organoid wykorzystywany jest do badania schorzeń jelita.
Drugim zastosowaniem komórek macierzystych rosnących w hodowli jest badanie najwcześniejszych objawów choroby, które mogą rozpocząć się na długo, zanim zostaną zauważone. Pierwszą chorobą, w przypadku której uzyskano ludzkie komórki iPS, było stwardnienie zanikowe boczne (ALS), znane również jako choroba Lou Gehriga (ang. Lou Gehrig's disease). W przypadku ALS neurony ruchowe, które umożliwiają osobie poruszanie się, stopniowo zawodzą. Kilka lat po pierwszych objawach osłabienia lub potknięć, dochodzi do zgonu z powodu niewydolności oddechowej. Badania nad ALS były trudne, ponieważ neurony ruchowe nie dzielą się i nie przeżywają długo w warunkach hodowli laboratoryjnych. Jednak przeprogramowane z łatwo dostępnych fibroblastów komórki iPS, dające początek neuronom ruchowym, są niewyczerpanym źródłem trudnych do hodowli innych komórek. Komórki te mają również praktyczne zastosowanie. Na przykład preparaty do leczenia dystrofii mięśniowej można testować na pochodzących z iPS komórkach mięśniowych pacjenta, zamiast pobierać je za pomocą bolesnej biopsji mięśni.
Trzecim zastosowaniem komórek macierzystych jest tworzenie tkanek i organów do wykorzystania w implantach, przeszczepach lub infuzjach do krwiobiegu. Na przykład komórki macierzyste szpiku kostnego pacjenta można pobrać, wyizolować, ewentualnie zmienić, wyhodować, poddać działaniu wybranych substancji chemicznych i wprowadzić z powrotem do organizmu, gdzie podążą za naturalnymi sygnałami do uszkodzonych tkanek. Przeszczepy szpiku kostnego wykonuje się od końca lat 50. XX wieku. Niedawno u dziecka cierpiącego na postać graniczną pęcherzowego oddzielania się naskórka (ang. junctional epidermolysis bullosa, JEB), w którym skóra pokrywa się pęcherzami i odpada, wymieniono cały naskórek. Do tego celu wykorzystano jego własne komórki skóry, którym podano funkcjonalne kopie genu zmutowanego w tej chorobie. W opiece zdrowotnej leczenie komórkami macierzystymi, eksperymentalne takie jak to powyżej, jest częścią medycyny regeneracyjnej. Banki komórek przechowują ludzkie komórki iPS odpowiadające różnym chorobom.
Czwarte zastosowanie komórek macierzystych stało się jasne wraz z tworzeniem komórek iPS. Jest to możliwość wprowadzania przeprogramowanych białek bezpośrednio do organizmu w celu stymulacji komórek macierzystych w ich naturalnych niszach. Co oznacza, że jeśli zrozumiemy sygnały międzykomórkowe, nie będziemy musieli już wprowadzać komórek.
Zastosowania komórek macierzystych wydają się ograniczone jedynie naszą wyobraźnią, ale niektóre firmy wykorzystują to, czego społeczeństwo nie wie o nauce. Bioetycy nazywają tę praktykę "turystyką za komórkami macierzystymi", omówioną w ramce Bioetyka.
Bioetyka
Turystyka za komórkami macierzystymi
Przyszli rodzice byli podekscytowani obietnicami firmy: Zabankuj komórki macierzyste krwi pępowinowej swojego dziecka i korzystaj z przełomowych odkryć. Bądź przygotowany na nieznane w życiu.
Na stronie internetowej przedstawiano przypadki dzieci uratowanych przed pewnymi chorobami dzięki przechowywanej krwi pępowinowej. Statystyki były przekonujące: za pomocą przeszczepów krwi pępowinowej można leczyć ponad 70 chorób, a wykonano już tysiące zabiegów.
Przy takich świadectwach nic dziwnego, że rodzice na przechowywanie krwi pępowinowej swoich dzieci wydają łącznie 100 milionów dolarów rocznie. Reklamy i statystyki są dokładne, ale zwodnicze z powodu tego, czego nie podają. Większość ludzi nigdy nie używa przechowywanych komórek macierzystych krwi pępowinowej, nie tylko dlatego, że choroby, które można leczyć, są rzadkie, lecz także dlatego, że ich zastosowanie jest ograniczone ze względu na zbyt małą pluripotencję komórek macierzystych krwi pępowinowej. Wystarczającą przyczyną rzadkiego wykorzystania zbankowanych komórek macierzystych, jest fakt, że w przypadku osoby z chorobą dziedziczną, potrzebne są zdrowe komórki macierzyste - nie komórki pacjenta, każda z nich wprowadzając mutację, mogłaby zastymulować chorobę na nowo. Pacjenci potrzebują dobrze dopasowanego zdrowego dawcy, którym może być na przykład rodzeństwo.
Komercyjne banki krwi pępowinowej mogą pobierać ponad 1000 USD za pobranie i zabankowanie krwi plus roczną opłatę. Jednak banki non-profit nie mogą pobierać opłat. Celem darowizn krwi pępowinowej do takich placówek nie jest bezpośrednia pomoc dawcom, ale każdemu, kto może wykorzystać te komórki.
Oferty terapii opartych na komórkach macierzystych umieszczane online konkurują z zaleceniami lekarzy skorzystania ze sprawdzonych metod leczenia tymi komórkami dostępnymi w placówkach medycznych. W Stanach Zjednoczonych setki firm dostarczają komórki macierzyste do setek klinik. Globalnie te liczby idą w tysiące.
Międzynarodowe Towarzystwo Badań nad Komórkami Macierzystymi (ang. International Society for Stem Cell Research) opracowało wytyczne, które umożliwiają konsumentom odróżnianie metod leczenia testowanych w zatwierdzonych badaniach klinicznych od tych, które są reklamowane, ale nie przeszły takich testów. Agencje rządowe, firmy farmaceutyczne i fundacje sponsorujące badania kliniczne nad metodami leczenia wykorzystującymi komórki macierzyste rzadko wymagają od pacjentów opłat za włączenie do testów.
Crowdfunding (finansowanie społecznościowe) stał się metodą finansowania tzw. turystyki za komórkami macierzystymi, umożliwiając pacjentom lub ich rodzinom poszukiwania pomocy w leczeniu, które mogło być albo i nie odpowiednio przetestowane. W jednym z badań oceniono 408 kampanii finansowania społecznego na rzecz leczenia komórkami macierzystymi prowadzonego przez 50 firm. Niemal połowa z nich twierdziła, że skuteczność oferowanej procedury była "jednoznaczna lub pewna", jedna trzecia, że "optymistyczna lub obiecująca". Tylko 36 firm wspominało o ryzyku. Osobiste narracje podnoszą skuteczność finansowania społecznego, brak jest jednak nadzoru nad ich rzetelnością.
Pytania do dyskusji:
1. Czy uważasz, że działalność banków komórek macierzystych powinna być regulowana, a jeśli tak, to przez kogo i w jaki sposób?
2. Jakie informacje powinny zamieszczać na swoich stronach internetowych firmy oferujące przechowywanie komórek macierzystych?
3. Czy uważasz, że reklamy usług przechowywania krwi pępowinowej, które zawierają cytaty i anegdotyczne raporty, ale nie wspominają, że większość osób, które otrzymują przeszczepy komórek macierzystych, nie otrzymuje własnych komórek, są mylące? Czy uważasz, że to konsument jest odpowiedzialny za znalezienie tych informacji?
4. Kilka firm przechowuje komórki macierzyste pobrane z zębów mlecznych, chociaż nie znaleziono jeszcze zastosowania dla takich komórek macierzystych. (Wykorzystanie DNA z zęba, wspomniane w rozdziale otwierającym, miało na celu pośmiertne postawienie diagnozy u dziecka). Zaproponuj inny sposób pozyskiwania komórek macierzystych, które mają genom żywego dziecka.
5. Czy strony finansowania społecznościowego poszukujące wsparcia dla leczenia komórkami macierzystymi powinny być zobowiązane do dostarczania dowodów skuteczności prowadzonych terapii, czy też byłoby to sprzeczne z wolnością słowa?
Pytania o zagadnienia kluczowe 2.4
a. Wyjaśnij, dlaczego różne typy komórek nie występują w organizmie w jednakowych ilościach.
b. Zdefiniuj zjawisko samoodnowy.
c. Wskaż różnicę między komórkami macierzystymi a komórkami progenitorowymi.
d. Zdefiniuj pojęcie linii komórek potomnych.
e. Opisz funkcje komórek macierzystych, jakie pełnią przez całe życie.
f. Podaj typ komórki, który pochodzi z podziału komórki macierzystej i również może się dzielić, dając początek wyspecjalizowanej komórce.
g. Opisz, jak komórki macierzyste mogą być wykorzystane w opiece zdrowotnej.
2.5 Mikrobiom człowieka
Wiele komórek w ludzkim ciele to w rzeczywistości wcale nie komórki ludzkie - nasze ciała to ogromne ekosystemy dla mikroskopijnego życia. Przeciętna osoba składa się z około 30 bilionów komórek, ale zdrowe ciało ludzkie zawiera również około 39 bilionów komórek, które są komórkami bakterii, grzybów lub pierwotniaków, a także wiele wirusów. Komórki wewnątrz naszego ciała oraz na jego powierzchni, które w rzeczywistości nie pochodzą od nas, stanowią ludzki mikrobiom.
Rycina 2.21 Mikrobiom człowieka. Nasze nawyki, doświadczenia i ekspozycja na czynniki środowiskowe wpływają na skład naszych mikrobiomów. Kolory oznaczają różne gatunki bakteriiŹródło: "The function of our microbiota: Who is out there and what do they do?" autorstwa N. Ottmana, H. Smidta, W. M. de Vosa i C. Belzera. Front. Cell. Inf. Microbio. 2:104 [2012]. DOI: 10.3389/fcimb.2012.00104. Dzięki uprzejmości U.S. National Library of Medicine
Termin mikrobiom zapożyczono z ekologicznego terminu biom wskazującego wszystkie gatunki na danym obszarze. Biliony bakterii mogą zmieścić się w ludzkim ciele, ponieważ ich komórki, będące komórkami priokariotycznymi, są zdecydowanie mniejsze niż nasze. Projekt Ludzkiego Mikrobiomu (ang. The Human Microbiome Project) opisał naszych bakteryjnych mieszkańców, chociaż pierwszym, który zauważył nasze bakterie, był wynalazca mikroskopu świetlnego Antonie van Leeuwenhoek, który w 1676 roku opisał "zwierzątka" w swoich ustach. Dzisiaj naukowcy analizują sekwencje DNA, identyfikują gatunki bakterii zamieszkujące różne partie naszego organizmu na zewnątrz i wewnątrz. Jak tylko poznamy, które grupy mikroorganizmów powodują czy przyczyniają się do wystąpienia choroby, a które są jej wynikiem, wiedza na temat ludzkiego mikrobiomu będzie coraz częściej wykorzystywana do poprawy naszego zdrowia. Na przykład niektóre zakażenia krwiobiegu, o których kiedyś sądzono, że pochodzą z wprowadzenia zanieczyszczonych wenflonów, w rzeczywistości pochodzą od bakterii jelitowych.
Każdy z nas ma wspólny "rdzeń mikrobiomu" składający się z gatunków bakterii, ale także wiele innych gatunków, które odzwierciedlają nasze różne genomy, środowiska, nawyki, wiek, diety i stan zdrowia. Różne części ciała są siedliskiem charakterystycznych zbiorowisk drobnoustrojów zmienianym przez "doświadczenia życiowe" organizmu. Na przykład obrzezany penis ma inny mikrobiom niż penis nieobrzezany, a mikrobiom pochwy kobiety matki różni się od mikrobiomu kobiety, która nie rodziła dziecka. Różne zbiorowiska bakterii zamieszkują pachy, pachwiny, pępek, podeszwy stóp, przestrzenie między palcami i przestrzeń między pośladkami. Mikrobiom zmienia się wraz z doświadczeniem organizmu i jego ekspozycją środowiskową, jak pokazuje rycina 2.21.
Od dawna wiemy, że 10 bilionów bakterii tworzących mikrobiom jelitowy pomaga nam w trawieniu niektórych pokarmów. Same usta są siedliskiem dla ponad 600 gatunków bakterii. Analiza ich genomów dostarcza praktycznych informacji. Na przykład sekwencja genomu bakterii Treponema denticola ujawnia, jak przeżywa on pomiędzy biofilmami tworzonymi przez inne bakterie oraz w jaki sposób powoduje choroby dziąseł.
Bardziej odległy koniec naszego przewodu pokarmowego łatwo zbadać poprzez badanie kału. Samo jelito grube zamieszkuje 6800 gatunków bakterii. Jedno z pierwszych badań mikrobiomu dotyczyło badań zabrudzonych pieluszek dziecięcych, w tym dziecka kierownika badania, w pierwszym roku ich życia. Udokumentowano w nim rozwój zbioru bakterii jelitowych. Noworodki zaczynały z czystymi jelitami. Po tym, jak określone rodzaje bakterii pojawiały się i znikały, bardzo podobny ich zbiór pozostawał u dzieci w okresie ich pierwszych urodzin.
Badacze wyróżniają trzy etapy ustalania się mikrobiomu jelitowego w dzieciństwie. Podczas fazy rozwojowej od 3. do 14. miesiąca życia liczba gatunków bakterii wzrasta. Rodzaje bakterii ustalają się podczas etapu przejściowego od 15. do 30. miesiąca życia. Ostatecznie mikrobiom jelitowy znajduje się w fazie stabilnej, jest to okres od 31. do 46. miesięcy, kiedy skład gatunkowy pozostaje stały. Najważniejszym czynnikiem wpływającym na mikrobiom jelitowy jest sposób karmienia. Niemowlęta karmione piersią mają duże populacje dwóch gatunków bakterii (Bifidobacterium breve i B. bifidum), które trawią mleko ludzkie i są składnikami produktów probiotycznych przyjmowanych przez wiele osób. Gdy karmienie piersią ustaje, tempo dojrzewania mikrobiomu przyspiesza.
Choroba może zmienić populację bakterii w naszym organizmie, a my wykorzystujemy wiedzę o naszym mikrobiomie jelitowym w celu poprawy stanu zdrowia. Probiotyki to żywe mikroorganizmy, takie jak bakterie i drożdże, które po spożyciu przynoszą korzyści zdrowotne poprzez zmianę mikrobiomu. Na przykład niektóre szczepy Lactobacillus dodawane do jogurtu pomagają chronić przed zakażeniem pokarmowym wywołanym salmonellą.
Probiotyki zazwyczaj składają się z jednego lub kilku gatunków drobnoustrojów. W przeciwieństwie do tego "przeszczep kału" jest terapią opierającą się na zmianie mikrobiomu poprzez zastąpienie setek gatunków bakterii naraz. Podczas tej procedury osoby z nawracającymi infekcjami bakterią Clostridium difficile, która powoduje ciężką biegunkę, otrzymują kał od zdrowego dawcy. Bakterie przeniesione w oddanym kale odtwarzają zdrowy mikrobiom jelitowy, lecząc infekcję. Przeszczep kału z zastosowaniem wlewu doodbytniczego (lewatywa) jest wykonywany u bydła od stulecia, a u ludzi od 1958 roku. Tak zazwyczaj wprowadzany jest materiał, świeży lub mrożony. W badaniach klinicznych testowane jest dostarczanie preparatu bakterii przez rurkę umieszczoną w nosie i wprowadzoną do jelita cienkiego lub w kapsułce.
Mniej inwazyjnym sposobem zmiany mikrobiomu jest przerywany post, w którym osoba przez pewien czas każdego dnia nie je, zwykle od 12 do 16 godzin. Z czasem praktyka ta zmienia metabolizm w sposób, który prowadzi do utraty masy ciała. Przerywany post znacznie zwiększa również różnorodność mikroorganizmów żyjących w jelitach, w szczególności beztlenowców żyjących w środowiskach ubogich w tlen. Okresy głodu mogą lepiej naśladować sposób, w jaki żyli nasi przodkowie tysiące lat temu, resetując metabolizm w sposób, który obniża ryzyko "współczesnych" chorób, takich jak choroby serca i cukrzyca. Naukowcy badają zawartość mikrobiologiczną ludzkich paleofektów - zakonserwowanych odchodów - aby odkryć starożytne praktyki dietetyczne.
Badania ludzkiego mikrobiomu prowadzone są od niedawna, ale pozwoliły na poznanie i potwierdzenie następujących faktów:
1. Niektóre bakterie skóry powodują trądzik, ale inne utrzymują skórę w czystości.
2. Obrzezanie chroni przed niektórymi infekcjami wirusowymi, w tym HIV.
3. Obniżony poziom cukru we krwi po operacji odchudzającej jest częściowo spowodowany zmianą mikrobiomu jelit.
4. Zmieniony mikrobiom przyspiesza głód u niedożywionych dzieci.
5. Antybiotyki tymczasowo zmieniają mikrobiom jelit.
6. Narodziny rolnictwa 10 000 lat temu wprowadziły bakterie powodujące próchnicę zębów.
7. Nierównowaga mikrobiomu może przyczyniać się lub powodować astmę, nowotwory, otyłość, łuszczycę, chorobę Crohna, choroby dziąseł i inne schorzenia.
8. Dzieci urodzone przez cięcie cesarskie (chirurgicznie) mają inne mikrobiomy niż dzieci urodzone siłami natury.
9. Ludzie żyjący na odizolowanych obszarach mają inne mikrobiomy niż mieszkańcy miast.
10.Naukowcy chronią mikrobiomy z różnych środowisk, zwłaszcza populacji, które były izolowane przez długi czas.
Nasze genomy ewoluowały wraz z naszymi mikrobiomami. Niektóre współczesne praktyki, takie jak stosowanie antybiotyków, sanitacja i stosowanie mydeł antybakteryjnych, mogą wpływać na skład naszych osobistych mikrobiomów.
Pytania o zagadnienia kluczowe 2.5
a. Zdefiniuj mikrobiom.
b. Podaj przykład części ciała, w której znajduje się unikalny mikrobiom.
c. Podaj jeden przykład, w jaki sposób mikrobiom wpływa na zdrowie.
d. Jakiego rodzaju infekcję można wyleczyć za pomocą przeszczepu kału?
Przewodnik do nauki
Podsumowanie
2.1. Komórki - wprowadzenie
1. Komórki są podstawowymi jednostkami życia i składają się na ludzkie ciało. Dziedziczne cechy i choroby można zrozumieć na poziomie komórkowym i molekularnym.
2. Wszystkie komórki mają pewne cechy wspólne, ale są również wyspecjalizowane, ponieważ wyrażają różne podzbiory genów.
3. Komórki somatyczne (ciała) są diploidalne, a komórki rozrodcze (plemniki i komórki jajowe) są haploidalne. Komórki macierzyste wytwarzają nowe komórki.
2.2. Składniki komórek
4. Komórka prokariotyczna nie ma jądra ani innych organelli. Komórka eukariotyczna ma organelle, w tym jądro.
5. Komórki składają się głównie z wody i kilku rodzajów makrocząsteczek: węglowodanów, lipidów, białek i kwasów nukleinowych.
6. Organelle skupiają powiązane reakcje biochemiczne, poprawiając wydajność funkcji życiowych i chroniąc komórkę. Komórka składa się również z cytoplazmy i związków chemicznych.
7. Jądro zawiera DNA i jąderko, miejsce syntezy rybosomów. Rybosomy zapewniają rusztowania dla syntezy białek; występują w cytoplazmie wolne lub powiązane z szorstkim retikulum endoplazmatycznym (ER). W syntezie białek, informacyjny RNA (mRNA) przenosi informacje zawarte w sekwencji DNA genu, a transferowy RNA (tRNA) łączy informacje mRNA z blokami budulcowymi białka (aminokwasami).
8. W procesie wydzielania szorstkie ER jest miejscem, w którym rozpoczyna się synteza białek. Gładkie ER jest miejscem syntezy, transportu i pakowania lipidów; aparat Golgiego pakuje związki wydzielane do pęcherzyków, które wychodzą przez błonę plazmatyczną. Egzosomy transportują cząsteczki między komórkami.
9. Lizosomy zawierają enzymy, które eliminują odpady komórkowe w procesie autofagii. Endosomy to pęcherzyki pochodzące z błony plazmatycznej, które transportują materiały do lizosomów. Peroksysomy zawierają enzymy, które katalizują różne reakcje chemiczne.
10. Enzymy w mitochondriach przetwarzają energię substancji odżywczych.
11. Błona plazmatyczna jest dwuwarstwą fosfolipidową naszpikowaną białkami strukturą. Kontroluje, które substancje wychodzą i wchodzą do komórki (transdukcja sygnału) oraz w jaki sposób komórka oddziałuje z innymi komórkami (adhezja komórkowa).
12. Cytoszkielet to białkowy szkielet pustych mikrotubul, zbudowanych z tubuliny i stałych mikrofilamentów składających się z aktyny. Filamenty pośrednie są zbudowane z więcej niż jednego rodzaju białka.
2.3. Podział i śmierć komórki
13. Koordynacja podziału komórek (mitoza) i śmierci komórek (apoptoza) utrzymuje liczbę komórek, umożliwiając strukturom powiększanie się podczas wzrostu i rozwoju, ale zapobiegając nieprawidłowemu rozrostowi.
14. Cykl komórkowy wskazuje, czy komórka dzieli się (mitoza) czy nie (interfaza). Interfaza składa się z faz G1 i G2, kiedy produkowane są białka i lipidy, oraz fazy syntezy (S), kiedy replikowany jest DNA. W fazie G0 komórka jest w spoczynku, następnie może pozostać jako wyspecjalizowana, podzielić się lub umrzeć.
15. Wrzeciono kariokinetyczne tworzy się z mikrotubul zorganizowanych w centriole, które łącząc się z innymi białkami, tworzą sparowane centrosomy, które przylegają do jądra i rozdzielają pary chromosomów.
16. Mitoza przebiega w czterech etapach. W profazie replikowane chromosomy składające się z dwóch siostrzanych chromatyd ulegają kondensacji, organizuje się wrzeciono, błona jądrowa rozpada się, a jąderko nie jest już widoczne. W metafazie zreplikowane chromosomy ustawiają się wzdłuż środka komórki. W anafazie centromery rozdzielają się, równo dzieląc teraz niezreplikowane chromosomy na dwie komórki potomne. W telofazie nowe komórki się rozdzielają. Cytokineza rozdziela organelle i inne składniki do komórek potomnych.
17. Cykl komórkowy kontrolowany jest przez czynniki wewnętrzne i zewnętrzne. Punkty kontrolne to momenty, w których białka regulują cykl komórkowy. Długość telomeru (końcówki chromosomu) określa, ile razy zajdzie jeszcze mitoza. Zagęszczenie komórek, hormony i czynniki wzrostu są czynnikami zewnętrznymi, a interakcje cyklin i kinaz wewnętrznymi komórek wyzwalającymi mitozę.
18. W apoptozie receptor błony plazmatycznej odbiera sygnał do rozpoczęcia procesu śmierci komórki, który aktywuje kaspazy dezintegrujące komórkę w uporządkowany sposób. Aby zapobiec reakcji zapalnej, fragmenty komórki otaczane są błoną.
2.4. Komórki macierzyste
19. Komórki macierzyste odnawiają się samoistnie, wytwarzając komórki potomne, które są również komórkami macierzystymi przekształcanymi w wyspecjalizowane komórki potomne. Komórki progenitorowe dają początek nieco bardziej wyspecjalizowanym komórkom progenitorowym i komórkom bardziej zróżnicowanym.
20. Zapłodniona komórka jajowa jest totipotencjalna. Niektóre komórki macierzyste są pluripotencjalne, a niektóre multipotencjalne. Komórki są powiązane poprzez linie rozwojowe.
21. Ludzkie komórki macierzystych mają trzy źródła: komórki macierzyste zarodkowe (ES), indukowane komórki macierzyste pluripotentne (iPS) i somatyczne (dorosłe) komórki macierzyste.
22. Technologia komórek macierzystych umożliwia naukowcom obserwowanie rozwoju chorób i opracowywanie nowych rodzajów leczenia.
2.5. Mikrobiom człowieka
23. Około 60 % komórek w ciele człowieka to mikroorganizmy. To one stanowią nasz mikrobiom.
24. Różne części ciała są siedliskiem dla różnych populacji mikrobów.
25. Geny oddziałują z mikrobiomem i czynnikami środowiskowymi.
Kluczowe terminy
adhezja komórkowa Seria oddziaływań między białkami, które łączą komórki.
anafaza Etap mitozy, w którym centromery replikowanych chromosomów dzielą się, umożliwiając rozdzielenie się dwóch cząsteczek DNA.
aparat Golgiego Organellum składające się ze spłaszczonych, błoniastych woreczków, które pakują składniki wydzielnicze.
apoptoza Forma śmierci komórki, która jest normalną częścią wzrostu i rozwoju.
autofagia Proces, w którym komórka rozkłada własne odpady.
białko Typ makrocząsteczki, która jest syntetyzowana na podstawie informacji genetycznej; długi łańcuch aminokwasów.
błona komórkowa Selektywna bariera wokół komórki, składająca się z białek, glikolipidów, glikoprotein i lipidów przyłączonych lub zanurzonych w podwójnej warstwie fosfolipidowej.
centriola Struktura organizująca mikrotubule we wrzeciono mitotyczne.
centromer Największe przewężenie chromosomu, zlokalizowane w określonym miejscu każdego chromosomu.
centrosom Struktura zbudowana z centrioli i białek, która organizuje mikrotubule we wrzeciono podczas podziału komórki.
chromatyda Pojedyncza, bardzo długa cząsteczka DNA i związane z nią białka, tworzące podłużną połowę powielonego chromosomu.
cykl komórkowy Cykl zdarzeń opisujący przygotowanie komórki do podziału i proces jej podziału.
cytokineza Podział cytoplazmy i jej zawartości.
cytoplazma Zawartość komórkowa inna niż organelle.
cytoszkielet Struktura kanalików białkowych i pręcików, która podtrzymuje komórkę i nadaje jej charakterystyczną formę.
diploid Komórka zawierająca dwa zestawy chromosomów.
egzsosom Pęcherzyk, który przenosi cząsteczki z komórki do komórki.
endosom Pęcherzyk, który pączkuje do wewnątrz z błony plazmatycznej.
enzym Białko, które przyspiesza tempo specyficznych reakcji biochemicznych.
faza G0 okres w cyklu komórkowym, w którym komórka pozostaje wyspecjalizowana, ale nie replikuje swojego DNA ani się nie dzieli.
faza G1 Etap cyklu komórkowego następujący po mitozie, w którym komórka wznawia syntezę białek, lipidów i węglowodanów.
faza G2 Etap cyklu komórkowego następujący po fazie S, ale przed mitozą, kiedy syntetyzowane są pewne białka.
faza S Etap interfazy, kiedy zachodzi replikacja DNA.
filament pośredni Typ składnika cytoszkieletu zbudowanego z różnych białek w różnych typach komórek.
haploid Komórka zawierająca jeden zestaw chromosomów.
hormon Substancja biochemiczna wytwarzana w gruczole i przenoszona we krwi do narządu docelowego, gdzie wywiera efekt.
indukowane komórki macierzyste pluripotencjalne (iPS) Komórki somatyczne, które są przeprogramowywane w innym kierunku rozwoju poprzez zmianę ekspresji genów.
informacyjny RNA (mRNA) Cząsteczka RNA komplementarna pod względem sekwencji do nici matrycowej genu, która określa skład aminokwasowy produktu białkowego.
interfaza Etap cyklu komórkowego, w którym komórka się nie dzieli.
jąderko Struktura w jądrze, w której rybosomy są składane z rybosomalnego RNA i białek.
komórka eukariotyczna Złożona komórka zawierająca organelle, w tym jądro.
komórka macierzysta zarodka (ES) Komórka uzyskana w hodowli laboratoryjnej z komórek węzła zarodkowego, która może się samoodnawiać i wytwarzać niektóre komórki potomne, zdolne do różnicowania w dowolny typ komórek.
komórka progenitorowa Komórka, której potomne komórki potomne mogą podążać dowolną z kilku ścieżek rozwojowych, ale nie wszystkimi.
komórka prokariotyczna Komórka, która nie ma jądra ani innych organelli otoczonych błoną. Przedstawiciele domen Bacteria lub Archaea.
komórki rozrodcze Plemniki lub komórki jajowe, komórki, które mogą dać początek nowemu organizmowi.
kwas nukleinowy DNA lub RNA.
lipid Typ cząsteczki organicznej, która ma więcej atomów węgla i wodoru niż atomów tlenu. Może być tłuszczem lub olejem.
lizosom Organellum przypominające worek. Zawiera enzymy, które rozkładają pozostałości komórkowe.
mejoza Forma podziału komórki, która zmniejsza o połowę liczbę chromosomów, tworząc haploidalne gamety.
metafaza Etap mitozy, w którym chromosomy ustawiają się wzdłuż środka komórki.
mikrofilament inaczej filamenty aktynowe, to stałe struktury w kształcie pałeczek, które stanowią część cytoszkieletu.
mikrotubula Pusta struktura zbudowana z białka tubuliny, stanowiąca część cytoszkieletu.
mitochondrium Organellum składające się z podwójnej błony, w której znajdują się enzymy katalizujące reakcje pozyskiwania energii z substancji odżywczych.
mitoza Podział komórek somatycznych (niepłciowych).
organellum Specjalistyczna struktura w komórce eukariotycznej, która spełnia określoną funkcję.
peroksysom Organellum z pojedynczą zewnętrzną błoną i mieszczące enzymy katalizujące różne reakcje.
pęcherzyk Bąbelkowate, otoczone błoną organellum, które uczestniczy w wydzielaniu.
profaza Pierwszy etap mitozy lub mejozy, podczas którego chromatyna ulega kondensacji.
przekazywanie sygnału Seria reakcji biochemicznych i interakcji, które przekazują informacje z zewnątrz komórki do wewnątrz, wywołując odpowiedź.
retikulum endoplazmatyczne Organellum składające się z labiryntu błoniastych kanalików, w których zaczynają być syntetyzowane białka, lipidy i cukry.
rybosom Organellum składające się z RNA i białka, stanowiące rusztowanie i katalizator syntezy białek.
samoodnowa Definiująca właściwość komórki macierzystej; zdolność do wytworzenia takiej samej komórki potomnej jak wyjściowa.
telofaza Etap mitozy lub mejozy, w którym komórki potomne się rozdzielają.
telomer Fragment kończący chromosomu.
transferowy RNA (tRNA) Typ RNA, który łączy mRNA z aminokwasem podczas syntezy białka.
węglowodan Związek organiczny, który składa się z węgla, wodoru i tlenu w stosunku 1:2:1.
wrzeciono Struktura złożona z mikrotubul, która rozdziela zestawy chromosomów w dzielącej się komórce.
Pytania sprawdzające
1. Dopasuj każde organellum do jego funkcji:
2. Opisz chorobę lub objawy, które pojawiają się, gdy każda z następujących organelli lub struktur nie działa prawidłowo:
a. lizosom
b. peroksysom
c. mitochondrium
d. cytoszkielet
e. kanał jonowy
3. Jaka jest zaleta kompartmentalizacji w dużej i złożonej komórce?
4. Podaj różnice pomiędzy egzosomem a endosomem.
5. Podaj dwa przykłady, w jaki sposób błona plazmatyczna jest czymś więcej niż tylko osłoną.
6. Wymień cztery rodzaje kontroli tempa cyklu komórkowego.
7. Wyjaśnij, w jaki sposób wszystkie komórki danej osoby zawierają dokładnie tę samą sekwencję DNA, a mimo to specjalizują się jako różne typy komórek.
8. Podaj różnice pomiędzy:
a. komórką bakteryjną a komórką eukariotyczną.
b. interfazą a mitozą.
c. mitozą a apoptozą.
d. szorstkim ER a gładkim ER.
e. mikrotubulami a mikrofilamentami.
f. komórką macierzystą a komórką progenitorową.
g. totipotencją a pluripotencją.
9. W jaki sposób filamenty pośrednie są podobne do mikrotubul i mikrofilamentów, a czym się różnią?
10.Wymień zdarzenia każdego etapu mitozy.
11.Dlaczego popularna definicja komórki macierzystej jako komórki, która "przekształca się w dowolny typ komórki", jest niepoprawna?
12.Podaj cechy różnicujące komórki ES, komórki iPS i dorosłe (somatyczne) komórki macierzyste.
13.Zdefiniuj pojęcie mikrobiomu.
14."Słyszałem o organicznym, bezglutenowym, beztłuszczowym, niskokalorycznym, wysokoenergetycznym sposobie na usunięcie wszystkich bakterii z naszych jelit!" - opowiadał z entuzjazmem przyjacielowi klient sklepu ze zdrową żywnością. Czy to dobry pomysł, czy nie? Uzasadnij swoją odpowiedź.
Pytania problemowe
1. Rozdział otwierający opisuje zdiagnozowanie zespołu Retta, choroby neuronów w mózgu, na podstawie DNA wyizolowanego z zachowanego zęba mlecznego. Wyjaśnij, dlaczego mutacja wykryta w jednym typie komórek może zostać wykorzystana i pomóc w diagnozie choroby dziedzicznej uszkadzającej inny typ komórek.
2. Na którym z organelli mogłoby się opierać urządzenie do testowania toksyczności nowych leków?
3. Dziedziczna postać migreny jest spowodowana mutacją w genie (SCN1A), który koduje kanał sodowy w neuronach. Czym jest kanał sodowy i w jakiej strukturze komórkowej się znajduje?
4. W pewnej postaci choroby Parkinsona białko zwane alfa-synukleiną gromadzi się z powodu upośledzonej autofagii. Które organellum jest zaangażowane w tę postać choroby?
5. Dlaczego komórka w zarodku prawdopodobnie nie byłaby w fazie G0?
6. Opisz dwa sposoby pozyskiwania komórek macierzystych bez użycia ludzkich zarodków.
7. Dwóch współlokatorów regularnie zjada 100-kaloryczne paczki ciasteczek. Po semestrze, w którym każdy ze współlokatorów zjadał jedną paczkę dziennie i prowadził podobny tryb życia (dieta, uprawianie sportu), jeden z nich przytył 12 funtów, a masa ciała drugiego pozostała bez zmian. Jeśli genetyka nie wyjaśnia różnicy w przybieraniu na wadze, jaki inny czynnik omawiany w rozdziale mógłby to zrobić?
8. Analiza DNA - test "zdrowia telomerów" sprzedawany online obiecuje "określić wiek biologiczny komórek na podstawie długości ich telomerów", abyś mógł go "poprawić". Firma sprzedaje pakiety suplementów, które pomagają w osiągnięciu biologicznej młodości. Jakie dodatkowe informacje mogą być pomocne w podjęciu decyzji, czy wykonać taki test i stosować sugerowane suplementy?
Z punktu widzenia kryminalistyki
1. Mężczyzna, który był właścicielem firmy dostarczającej tkanki ludzkie, został skazany na wiele lat więzienia za handel fragmentami ciała pobranymi bez uzyskania zgody z rozczłonkowanych zwłok z domów pogrzebowych. Tysiące fragmentów z setek ciał wykorzystano jako wypełniacze w zabiegach chirurgicznych, w tym do wymiany stawów biodrowych i w implantach dentystycznych. Najczęściej stosowanym produktem była pasta kostna. Wielu członków rodzin zmarłych, będących źródłem tkanek, zeznawało na rozprawach. Wyjaśnij, dlaczego komórki z tkanki kostnej można dopasować do komórek krwi lub komórek wyściółki policzków spokrewnionych osób.
Studia przypadków i wyniki badań
1. Chłopiec z "wrodzonymi obwodowymi fałdami skórnymi typu Kunze" ma pierścieniowe fałdy na rękach i nogach, nietypowe rysy twarzy, niepełnosprawność intelektualną, powolny wzrost i rozszczep podniebienia. Ma mutację w genie TUBB, a jego choroba określana jest jako "tubulinopatia". Jaka część jego komórek jest uszkodzona?
2. Członkowie dużej, trzypokoleniowej rodziny we Włoszech nie zauważają oparzeń, złamanych kości, a nawet wstrzykniętego pod skórę ostrego proszku paprykowego. Co na poziomie komórkowym może odpowiadać za występujące u nich nieprawidłowości?
3. Naukowcy wyizolowali komórki macierzyste z tłuszczu usuniętego od osób poddających się liposukcji, zabiegowi usuwania tłuszczu. Komórki macierzyste mogą dawać początek komórkom mięśni, tłuszczu, kości i chrząstki.
a. Czy komórki macierzyste są totipotentne, czy pluripotentne?
b. Czy te komórki macierzyste to komórki ES, komórki iPS, czy somatyczne (dorosłe) komórki macierzyste?
