© Copyright by Wydawnictwo Naukowe PWN S.A., PZWL Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2022

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Autorzy i Wydawnictwo dołożyli wszelkich starań, aby wybór i dawkowanie leków w tym opracowaniu były zgodne z aktualnymi wskazaniami i praktyką kliniczną. Mimo to, ze względu na stan wiedzy, zmiany regulacji prawnych i nieprzerwany napływ nowych wyników badań dotyczących podstawowych i niepożądanych działań leków, Czytelnik musi brać pod uwagę informacje zawarte w ulotce dołączonej do każdego opakowania, aby nie przeoczyć ewentualnych zmian we wskazaniach i dawkowaniu. Dotyczy to także specjalnych ostrzeżeń i środków ostrożności. Należy o tym pamiętać, zwłaszcza w przypadku nowych lub rzadko stosowanych substancji.

Wydawca: Inga Markiewicz

Redaktor prowadzący: Beata Bednarczuk

Redaktor merytoryczny: Beata Tarnowska

Korekta: Agnieszka Janowska

Producent: Adam Krajewski

Projekt okładki i stron tytułowych: Magdalena Kocińska O!Studio

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2022r. (wyd. I)

Warszawa 2022

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

ISBN 978-83-01-22486-8

DOI: https://doi.org/10.53271/2022.017

Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.

ul. G. Daimlera 2

02-460 Warszawa

pwn.pl

Księgarnia wysyłkowa:

tel. 42 680 44 88; infolinia: 801 33 33 88

e-mail: wysylkowa@pzwl.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN
Michał Latusek

Informacja w sprawie współpracy reklamowej: BR.PZWL@pwn.pl

Bezpłatny fragment

Wstęp

Wykaz skrótów

1. Podstawy biologii komórki

1.1 Budowa komórki

1.1.1 Błona komórkowa

1.1.2 Jądro komórkowe

1.1.3 Siateczka wewnątrzplazmatyczna

1.1.4 Aparat Golgiego

1.2 Cykl komórkowy

1.3 Organizacja materiału genetycznego, czyli chromatyna i chromosomy

1.4 Podziały komórkowe

1.4.1 Mitoza

1.4.2 Mejoza

1.5. Zaburzenia liczby chromosomów: euploidie i aneuploidie

1.6 Komunikacja między komórkami

1.6.1 Transport przez błony

1.6.2 Białka receptorowe i kaskady sygnałowe

Podsumowanie

2. Podstawy dziedziczenia cech

2.1 Oddziaływania alleliczne i niealleliczne

2.1.1 Oddziaływania alleliczne

2.1.2 Oddziaływania niealleliczne

2.2 Cechy sprzężone i niesprzężone

2.3 Dziedziczenie wieloczynnikowe

2.4 Penetracja i ekspresywność

2.5 Zmienność fenotypowa

2.6 Podstawy genetyki populacji

Podsumowanie

3. Ekspresja i regulacja ekspresji genów

3.1 Kwasy nukleinowe

3.2. Budowa genów

3.3 Ekspresja genów

3.3.1 Transkrypcja

3.3.2 Kod genetyczny

3.3.3 Translacja

3.3.4 Posttranslacyjne modyfikacje białek

3.4 Regulacja ekspresji genów

3.4.1 Mechanizmy regulacji ekspresji genów

3.5 Regulacja ekspresji genów przez składniki pokarmowe

3.5.1 Regulacja ekspresji genów przez składniki pokarmowe – receptory jądrowe

3.5.2 Regulacja ekspresji genów przez składniki pokarmowe – receptory błonowe

3.5.3 Regulacja składania genów przez składniki pokarmowe

3.5.4 Regulacja translacji przez składniki pokarmowe

Podsumowanie

4. Epigenetyka i programowanie płodowe

4.1 Mechanizmy epigenetyczne

4.1.1 Metylacja DNA

4.1.2 Modyfikacje białek histonowych i struktura chromatyny

4.1.3 mikroRNA

4.2 Czynniki żywieniowe, metylacja DNA i płodowe programowanie metabolizmu

Podsumowanie

5. Od polimorfizmu DNA do zmienności fenotypu

5.1 Polimorfizm DNA

5.1.1 Polimorfizm SNP

5.1.2 Polimorfizm sekwencji powtarzalnych

5.1.3 Polimorfizm zmiennej liczby kopii genów

5.2 Polimorfizm DNA a fenotyp

5.2.1 Polimorfizm zlokalizowany w eksonach

5.2.2 Polimorfizm sekwencji niekodujących

5.3 Badania asocjacyjne

5.3.1 Badania genów kandydujących

5.3.2 Badania asocjacyjne typu GWAS

5.4 Wykorzystanie informacji genotypowej w praktyce

5.4.1 Wykorzystanie informacji genotypowej do szacowania prawdopodobieństwa wystąpienia cechy (choroby)

5.4.2 Wykorzystanie informacji genotypowej do przewidywania odpowiedzi na dietoterapię

Podsumowanie

6. Genetyczne uwarunkowania wyborów żywieniowych

6.1 Wybory żywieniowe i ich uwarunkowania

6.2 Wrażliwość smakowa a wybory żywieniowe

6.3 Genetyczne uwarunkowania smaku gorzkiego, słodkiego i tłustego

Podsumowanie

7. Nutrigenetyka otyłości i cukrzycy

7.1 Otyłość i jej uwarunkowania

7.1.1 Otyłość jednogenowa

7.1.2. Otyłość związana z syndromami

7.1.3 Otyłość wieloczynnikowa

7.1.4 Otyłość a czynniki epigenetyczne

7.1.5 Wykorzystanie informacji genotypowej w predykcji ryzyka otyłości

7.1.6 Wykorzystanie informacji genotypowej w terapii otyłości

7.2 Cukrzyca i jej uwarunkowania

7.2.1 Cukrzyca monogenowa

7.2.2 Cukrzyca wieloczynnikowa

7.2.3 Wykorzystanie informacji genotypowej w predykcji cukrzycy typu 2

7.2.4 Wykorzystanie informacji genotypowej w terapii cukrzycy

Podsumowanie

8. Personalizowane żywienie

8.1 Zalecenia żywieniowe

8.2 Genetyczne uwarunkowania zapotrzebowania na składniki pokarmowe

8.3 Personalizacja żywienia uwzględniająca informację o genotypie

8.3.1 Zapotrzebowanie na składniki pokarmowe w jednogenowych zaburzeniach metabolizmu

8.3.2 Zapotrzebowanie na składniki pokarmowe – uwarunkowania wieloczynnikowe

8.3.3 Wytyczne dotyczące personalizowanego żywienia bazującego na analizie genotypu

8.4 Usługi personalizowanego żywienia

8.4.1 Rodzaje usług oferowanych przez firmy nutrigenetyczne

8.4.2 Motywacje do korzystania z usług personalizowanego żywienia

8.4.3 Przykładowe firmy nutrigenetyczne

8.4.4 Wykorzystanie aplikacji na urządzenia mobilne w personalizacji żywienia

8.5 Efektywność poradnictwa żywieniowego bazującego na analizie genotypu

8.6 Kwestie etyczne i prawne związane z personalizowanym żywieniem

8.7 Nutrigenetyka w sporcie

Podsumowanie

9. Bazy danych

Wstęp

W zasadzie nie można powiedzieć, że nutrigenomika jest nauką nową. Czerpie ona bowiem z osiągnięć takich dziedzin, jak: genetyka, biochemia, fizjologia i żywienie człowieka. To raczej samo słowo „nutrigenomika” jest stosunkowo nowe, ponieważ zostało użyte po raz pierwszy w 2001 r. Nutrigenomika to nauka, której przedmiotem badań są interakcje między genami i żywieniem w kontekście zdrowia człowieka. Z kolei pojęcie nutrigenetyka ma węższy zakres znaczeniowy i odnosi się do tego, w jaki sposób różnorodność genów kształtuje reakcję organizmu na składniki pokarmowe, a tym samym wpływa na prawdopodobieństwo wystąpienia określonych cech. Nutrigenomika obejmuje więc kwestie nutrigenetyczne, ale również te odnoszące się do wpływu składników pokarmowych na kondycję materiału genetycznego i funkcjonowanie genów. Wielu autorów posługuje się wyłącznie terminem „nutrigenomika”, bez wyróżniania nutrigenetyki.

Rozwój nutrigenomiki wiąże się z poznaniem ludzkiego genomu, a także z rozwojem nowych technik badawczych, które umożliwiają lepsze wejrzenie w funkcjonowanie komórek. Rozwinęły się również zaawansowane metody analityczne umożliwiające badanie organizmu na poziomie globalnym, np. metabolomika czy proteomika. W przypadku tej pierwszej identyfikowana jest pula metabolitów, czyli produktów przemian biochemicznych, obecnych w konkretnej próbce biologicznej (np. w moczu), natomiast w przypadku proteomiki – analizowane są białka. Nutrigenomika ma jednak przed sobą wiele wyzwań, ponieważ ze względu na złożoność zależności między żywieniem a genami jest jeszcze wiele niewiadomych i wiele do odkrycia.

Wykaz skrótów

ACTN3 (ang. actinin alpha 3) – α aktynina 3

ADH (ang. alcohol dehydrogenase) – dehydrogenaza alkoholowa

ADORA2A (ang. adenosine A2a receptor) – receptor adenozyny A2

ALA (ang. alpha linolenic acid) – kwas α-linolenowy

ALDH (ang. aldehyde dehydrogenase) – dehydrogenaza aldehydowa

ALDOB (ang. aldolase, fructose-bisphosphate B) – aldolaza B

AMY1 (ang. alpha amylaze 1) – amylaza ślinowa

Apo (ang. apolipoprotein) – apolipoproteina

ATP (ang. adenosine monophosphate) – adenozynotrifosforan

AUC (ang. area under curve) – pole pod krzywą

BCMO1 (ang. beta-carotene 15,15'-monooxygenase 1) – dioksygenaza β-karotenowa

BMI (ang. body mass index) – wskaźnik masy ciała

cAMP (ang. cyclic adenosine monophosphate) – cykliczny adenozynomonofosforan

CART (ang. cocaine and amphetamine regulated transcript) – transkrypt regulowany przez kokainę i amfetaminę

CBS (ang. cystathionine β-synthase) – β-syntaza cystationinowa

CGRP (ang. calcitonin gene-related peptide) – peptyd pochodny genu kalcytoniny

CHDH (ang. choline dehydrogenase) – dehydrogenaza cholinowa

CHM – chylomikrony

ChREBP (ang. carbohydrate response element-binding protein) – białko wiążące sekwencję odpowiedzi na węglowodany

CNV (ang. copy number variation) – polimorfizm zmiennej liczby kopii

COL1A1 (ang. collagen, type I, alpha 1) – kolagen typu 1, α 1

COMT (ang. catechol-O-methyltransferase) – katecholo-O-metylotransferaza

CRABP (ang. cellular retinoic acid-binding protein) – komórkowe białko wiążące kwas retinowy

CRBP (ang. cellular retinol-binding protein) – komórkowe białko wiążące retinol

CREB (ang. cAMP response element-binding protein) – białko wiążące element odpowiedzi na cAMP

DBP (ang. vitamin D binding protein) – białko wiążące witaminę D

DHA (ang. docosahexaenoic acid) – kwas dokozaheksaenowy

DHFR (ang. dihydrofolate reductase) – reduktaza dihydrofolianowa

DNA (ang. deoxyribonucleic acid) – kwas deoksyrybonukleinowy

DNMT (ang. DNA methyltransferase) – metylotransferaza DNA

DOHaD (ang. developmental origin of health and disease) – hipoteza o rozwojowych początkach zdrowia i chorób

EAR (ang. estimated average requirement) – średnie zapotrzebowanie grupy

EFSA (ang. European Food Safety Authority) – Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności

EWAS (ang. epigenome-wide association studies) – badania asocjacyjne epigenomu

FADS (ang. fatty acid desaturase) – desaturaza kwasów tłuszczowych

FFAR (ang. free fatty acid receptor) – receptor wolnych kwasów tłuszczowych

FGF21 (ang. fibroblast growth factor 21) – czynnik wzrostu fibroblastów 21

FUT2 (ang. fucosyltransferase 2) – fukozylotransferaza 2

G6PD (ang. glucose-6-phosphate dehydrogenase) – dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa

GALE (ang. UDP-galactose-4-epimerase) – 4-epimeraza UDP-galaktozowa

GALK1 (ang. galactokinase 1) – galaktokinaza 1

GALT (ang. galactose-1-phosphate uridylyltransferase) – urydylotransferaza galaktozo-1-fosforanowa

GLP-1 (ang. glucagon-like peptide 1) – glukagonopodobny peptyd 1

GLUT (ang. glucose transporter) – transporter glukozy

GPI (ang. glycosylphosphatidylinositol) – kotwica glikozylofosfatydyloinozytolowa

GRS (ang. genetic risk score) – wskaźnik ryzyka genetycznego

GST (ang. glutathione S-transferase) – S-transferaza glutationowa

GWAS (ang. genome-wide association study) – badania asocjacyjne całego genomu

Hcy – homocysteina

HDAC6 (ang. histone deacetylase 6) – deacetylaza histonów 6

HDL (ang. high density lipoprotein) – lipoproteiny o dużej gęstości

HNF (ang. hepatocyte nuclear factor) – wątrobowy czynnik jądrowy

IP3 (ang. inositol triphosphate) –1,4,5-trifosforan inozytolu

IRE-BP (ang. iron-responsive element-binding protein) – białko wiążące elementy odpowiedzi na żelazo

IRS (ang. insulin receptor substrate) – substrat receptora insuliny

LA (ang. linoleic acid) – kwas linolowy

LDL (ang. low density lipoprotein) – lipoproteiny o małej gęstości

LDLR (ang. LDL receptor) – receptor LDL

LEP (ang. leptin) – leptyna

LEPR (ang. leptin receptor) – receptor leptyny

lncRNA (ang. long non-coding RNA) – długie niekodujące RNA

LXR (ang. liver X receptor) – wątrobowy receptor X

MC4R (ang. melanocortin receptor 4) – receptory melanokortyny 4

miRNA – mikroRNA

MTHFD1 (ang. methylenetetrahydrofolate dehydrogenase) – dehydrogenaza metylenotetrahydrofolianu 1

MTHFR (ang. methylenetetrahydrofolate reductase) – reduktaza metylenotetrahydrofolianowa

NADPH (ang. nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) – fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego

NDM (ang. neonatal diabetes mellitus) – cukrzyca noworodkowa

OGTT (ang. oral glucose tolerance test) – doustny test tolerancji glukozy

OPRM1 (ang. opioid receptor mu 1) – receptor opioidów mu 1

OR (ang. odds ratio) – iloraz szans

OTC (ang. ornitine transcarbamylase) – transkarbamylaza ornityny

PAH (ang. phenylalanine hydroxylase) – hydroksylaza fenyloalaninowa

PBMC (ang. peripheral blood mononuclear cells) – jednojądrzaste komórki krwi obwodowej

PCSK1 (ang. prohormone convertase) – konwertaza prohormonu 1

PEMT (ang. phosphatidylethanolamine N-methyltransferase) – N-metylotransferaza fosfatydyloetanoloaminy

PKA (ang. protein kinase A) – kinaza białkowa A

PKB (ang. protein kinase B) – kinaza białkowa B

PLC (ang. phospholipase C) – fosfolipaza C

PNDM (ang. permanent neonatal diabetes mellitus) – utrwalona cukrzyca noworodkowa

POMC (ang. proopiomelanocortin) – proopiomelanokortyna

PPAR (ang. peroxisome proliferator activated receptor) – receptor aktywowany przez proliferatory peroksysomów

PPRE (ang. PPAR response element) – element odpowiedzi na PPAR

PTC (ang. phenylthiocarbamide) – fenylotiomocznik

RALDH (ang. retinaldehyde dehydrogenase) – dehydrogenaza aldehydu retinowego

RAR (and. retinoic acid receptor) – receptor kwasu retinowego

RARE (ang. retinoic acid response element) – element odpowiedzi na kwas retinowy

RDA (ang. recommended dietary allowance) – zalecane spożycie

RNA (ang. ribonucleic acid) – kwas rybonukleinowy

RoDH (ang. retinol dehydrogenase) – dehydrogenaza retinolowa

RXR (ang. retinoid X receptor) – receptor retinoidu X

SAM (ang. S-adenosylmethionine) – S-adenozylometionina

SI (ang. sucrase-isomaltase) – sacharaza-izomaltaza

siRNA (ang. short interfering RNA) – krótkie interferujące RNA

snoRNA (ang. small nucleolar RNA) – małe jąderkowe RNA

SNP (ang. single nucleotide polymorphism) – polimorfizm pojedynczego nukleotydu

SREBP-1c (ang. sterol regulatory element-binding protein 1c) – białko wiążące sterolowy element regulatorowy 1c

TASR (ang. taste receptor) – receptor smaku

TBP (ang. TATA box-binding protein) – białko wiążące kasetę TATA

THF (ang. tetrahydrofolate) – tetrahydrofolian

TNDM (ang. transient neonatal diabetes mellitus) – przemijająca cukrzyca noworodkowa

UTR (ang. untranslated region) – region podlegający transkrypcji, a niepodlegający translacji

VDR (ang. vitamin D receptor) – receptor witaminy D

VLDL (ang. very low density lipoprotein) – lipoproteiny o bardzo małej gęstości

WHO (ang. World Health Organisation) – Światowa Organizacja Zdrowia

1

Podstawy biologii komórki

1.1 Budowa komórki

Nie sposób dobrze zrozumieć funkcjonowanie organizmu bez zrozumienia tego, jak funkcjonują komórki. Dokładny opis wszystkich organelli komórkowych wykracza poza zakres tej książki, jednak poznanie funkcjonowania błony komórkowej, jądra komórkowego oraz siateczki wewnątrzplazmatycznej wydaje się nieodzowne do tego, żeby opowiedzieć o genach – ryc. 1.1.

Rycina 1.1. Ogólna struktura komórki człowieka. Zaznaczono wybrane organelle.

1.1.1 Błona komórkowa

Błona komórkowa nie jest wyłącznie barierą między tym, co znajduje się wewnątrz komórki i poza komórką. Przeciwnie, jest to miejsce, w którym zachodzą procesy ważne dla jej funkcjonowania – transport substancji, odbiór bodźców oraz różne reakcje biochemiczne. Większość tych procesów odbywa się z udziałem różnego typu białek. Błona komórkowa jest więc aktywnie działającą częścią komórki. Jako fizyczna bariera zapobiega niekontrolowanemu przemieszczaniu się substancji do i z komórki, tzn. wykazuje ona niewielką przepuszczalność dla jonów i wielu cząstek polarnych, natomiast jest łatwo przepuszczalna dla wody. W związku z tym można powiedzieć, że błona charakteryzuje się selektywną przepuszczalnością.

Błona komórkowa zbudowana jest z białek i lipidów, najczęściej fosfolipidów – pochodnych kwasu fosfatydylowego. Główną klasą fosfolipidów błony są fosfoglicerydy, składające się z glicerolu oraz połączonych z nim dwóch reszt kwasów tłuszczowych i kwasu fosforowego. Oprócz tego występują też inne fosfolipidy: fosfatydyloetanolamina, fosfatydylocholina i fosfatydyloinozytol. Składnikiem błony jest także cholesterol. Fosfolipidy i glikolipidy błony układają się w dwuwarstwę, w której zanurzone są białka. Ze względu na to, jak mocno związane są z błoną, białka dzieli się na integralne i powierzchniowe – ryc. 1.2.

Rycina 1.2. Błona komórkowa wraz z białkami integralnymi i powierzchniowymi. GPI – kotwica glikozylofosfatydyloinozytolowa.

Białka integralne można wydzielić z błony tylko w wyniku jej zniszczenia, natomiast białka powierzchniowe stosunkowo łatwo oddzielają się od błony pod wpływem roztworów soli lub czynników chelatujących. Białka łączą się z błoną przez powierzchnie utworzone z łańcuchów bocznych aminokwasów albo przez grupy hydrofobowe przyłączone do białek. Jedną z nich jest kotwica glikozylofosfatydyloinozytolowa (ang. glycosylphosphatidylinositol, GPI). Białka powierzchniowe przyłączają się najczęściej do białek integralnych lub też do lipidów błony. W skład błony wchodzą też węglowodany, które związane są z lipidami lub białkami.

Błona komórkowa jest asymetryczna, tzn. jej powierzchnie, a zatem aktywność od strony zewnątrzkomórkowej i wewnątrzkomórkowej, różnią się, co wynika z rozmaitego umiejscowienia w nich białek o określonych funkcjach. Więcej informacji na temat funkcji białek błonowych zamieszczono w podrozdziale 1.6.

1.1.2 Jądro komórkowe

Jądro komórkowe to największe organellum ograniczone przez otoczkę jądrową, której zewnętrzna błona połączona jest z siateczką wewnątrzplazmatyczną szorstką. Otoczka od wewnątrz wyścielona jest białkami laminy, które są niezbędne dla powstania i utrzymania struktury otoczki jądrowej. Jądro komórkowe nie jest zamkniętą częścią komórki, ponieważ występują w nim pory jądrowe, a właściwie kompleksy porowe, które funkcjonują jak kanały regulujące przepływ cząstek między jądrem a cytoplazmą. Cząstkami tymi mogą być białka syntetyzowane w cytoplazmie, a niezbędne do funkcjonowania jądra, jak np. białka strukturalne (histony) czy białka enzymatyczne (polimerazy). Do jądra mogą wnikać również niektóre składniki pokarmowe wpływające na aktywność genów. Z jądra do cytoplazmy transportowanych jest kilka typów kwasów nukleinowych. Same kompleksy porowe są strukturami białkowymi, umocowanymi w otoczce jądrowej – ryc. 1.3.

Rycina 1.3. Struktura jądra komórkowego. W powiększeniu pokazano kompleks porowy.

Wewnątrz jądra komórkowego znajduje się materiał genetyczny – kwas deoksyrybonukleinowy (DNA). Ma on postać chromatyny, czyli nici DNA powiązanej z białkami. W trakcie podziałów komórkowych chromatyna kondensuje do postaci chromosomów. Fragmenty chromatyny, które tworzą konkretny chromosom, zajmują obszary jądra zwane terytoriami chromosomowymi. Najbardziej skondensowaną częścią jądra jest jąderko, zbudowane głównie z kwasu rybonukleinowego (RNA) i białek. W obrębie jąderka syntetyzowany i gromadzony jest RNA, wchodzący w skład rybosomów (rRNA). Struktura przestrzenna chromatyny utrzymywana jest za pomocą macierzy, czyli białkowego szkieletu.

Jądro komórkowe jest więc miejscem, w którym znajduje się materiał genetyczny oraz odbywają się różne procesy z nim związane. Więcej informacji na ten temat zamieszczono w rozdziale 3.

1.1.3 Siateczka wewnątrzplazmatyczna

Siateczka wewnątrzplazmatyczna należy do struktur błoniastych, obecnych we wszystkich typach komórek jądrzastych, z wyjątkiem plemników. Jest to sieć powiązanych ze sobą pęcherzyków i tubul (rurek). Wyróżnia się siateczkę wewnątrzplazmatyczną szorstką i gładką – ryc. 1.1. Siateczka wewnątrzplazmatyczna szorstka bierze udział w syntezie białek, która zachodzi w procesie translacji, w obrębie rybosomów. Część z nich związana jest z siateczką, a część to wolne rybosomy występujące w cytoplazmie. Siateczka wewnątrzplazmatyczna gładka, czyli wolna od rybosomów, bierze udział w metabolizmie tłuszczów, np. syntezie hormonów steroidowych z cholesterolu, syntezie lipoprotein czy reakcjach detoksykacji. Inną rolą siateczki wewnątrzplazmatycznej gładkiej jest sekwestracja jonów Ca2+ z cytoplazmy. Szybkie uwalnianie i magazynowanie Ca2+ jest jednym z mechanizmów odpowiedzi na sygnały zewnątrzkomórkowe (patrz: podrozdział 1.6.2).

1.1.4 Aparat Golgiego

Białka powstałe w obrębie siateczki wewnątrzplazmatycznej są transportowane do aparatu Golgiego, gdzie są dalej modyfikowane, a następnie sortowane i dystrybuowane do odpowiedniech miejsc w komórce. Mogą trafić do błony komórkowej, lizosomów lub zostać usunięte z komórki. W aparacie Golgiego są syntetyzowane również glikolipidy i sfingomielina. Podstawowy element struktury aparatu Golgiego to diktiosom, czyli 5–8 spłaszczonych woreczków (cystern) ułożonych w formie stosu. Transport między siateczką wewnątrzplazmatyczną a aparatem Golgiego odbywa się przez struktury pęcherzykowe, przemieszczające się od jednej błony do drugiej. Tak przenoszone są zarówno składniki błon, jak i zawartość pęcherzyków – ryc. 1.4.

Rycina 1.4. Aparat Golgiego z zaznaczonym transportem białek od miejsca ich syntezy, przez miejsce ich modyfikacji i poza komórkę.

1.2 Cykl komórkowy

Procesy zachodzące w komórkach podlegają cyklicznym zmianom. Cykl komórkowy to ogół uporządkowanych procesów biofizycznych i biochemicznych od momentu powstania komórki do jej podziału na dwie komórki potomne. Na cykl komórkowy składają się interfaza (I), czyli okres między końcem jednego podziału a początkiem kolejnego, która obejmuje fazę: G_1, S i G_2 oraz podział komórki (mitoza, mejoza), czyli fazę M – ryc. 1.5.

Rycina 1.5. Cykl komórkowy.

Faza G_1 to okres życia komórki od końca podziału do momentu rozpoczęcia syntezy DNA. Podczas tego okresu przeważają procesy anaboliczne, co wiąże się ze wzrostem komórki (przyrost masy i objętości komórki) oraz procesami życiowymi, które w niej zachodzą. Faza S jest przygotowaniem komórki do podziału pod względem zawartości materiału genetycznego w komórce. Zachodzi wtedy synteza DNA, która prowadzi do podwojenia jego ilości. Z kolei w fazie G_2 syntetyzowane są białka niezbędne do podziału komórki (np. białka wrzeciona podziałowego), a także inne związki chemiczne potrzebne do powstania nowych komórek. W niektórych przypadkach komórka może też wejść w fazę G_0, która jest stanem spoczynkowym komórki.

1.3 Organizacja materiału genetycznego, czyli chromatyna i chromosomy

W trakcie interfazy materiał genetyczny ma postać chromatyny, zbudowanej z DNA oraz białek histonowych i niehistonowych. Białka histonowe mają charakter zasadowy. Są połączone z DNA i tworzą podstawową jednostkę organizacji chromatyny, czyli nukleosom – ryc. 1.6. W komórkach znajduje się pięć rodzajów białek histonowych: H1, H2A, H2B, H3 i H4. Oktamer histonowy, na który składają się po dwa białka H2A, H2B, H3 i H4, tworzy rdzeń nukleosomu, wokół którego owija się DNA. Z kolei histon H1 znajduje się na zewnątrz tej struktury.

Rycina 1.6. Struktura przestrzenna nukleosomu. W centrum znajduje się rdzeń białkowy (białka histonowe), który od zewnątrz opleciony jest DNA.

Kwas deoksyrybonukleinowy połączony jest z białkami histonowymi za pomocą wiązań wodorowych. Każdy nukleosom oddzielony jest od kolejnego fragmentem DNA łącznikowego, który może mieć różną długość. Powstanie struktur nukleosomowych skraca długość cząsteczki DNA o ok. jedną trzecią. Kolejny etap kondensacji chromatyny to łączenie się nukleosomów w strukturę zwaną solenoidem, za pomocą histonu H1 odpowiadającego za jej stabilizację. Solenoidy tworzą 30-nanometrowe włókna chromatynowe, z których powstają pętle chromatynowe, a osytatecznie chromosomy – ryc. 1.7. Materiałem genetycznym jest więc DNA, ale w zależności od fazy cyklu komórkowego ma on różne poziomy organizacji. Zmiany te mają znaczenie funkcjonalne.

Rycina 1.7. Poziomy uporządkowania materiału genetycznego.

Struktura nukleosomów może ulegać zmianom wskutek działania białek kompleksu remodelującego chromatynę. Polega to na czasowym rozluźnieniu połączeń między DNA a białkami histonowymi, co umożliwia dostęp do DNA różnym białkom, przede wszystkim tym, które związane są z procesami przetwarzania informacji genetycznej (tzn. z ekspresją genów), powielaniem (replikacją) DNA oraz z jego naprawą. Również cała struktura włókien chromatynowych może być dynamiczna. Dzieje się to z powodu chemicznych modyfikacji białek histonowych, acetylacji lub metylacji lizyn czy też fosforylacji seryn. Kowalencyjne modyfikacje histonów mogą więc prowadzić do rozluźnienia chromatyny, podobnie jak w przypadku nukleosomów, czyniąc ją bardziej dostępną dla różnych białek.

Wraz z początkiem podziału komórkowego rozpoczyna się kondensacja chromatyny i formowanie chromosomów. W powstawaniu struktury chromosomów biorą też udział białka niehistonowe. Tworzą one białkowy szkielet chromosomu. Uformowanie chromosomów umożliwia precyzyjne rozdzielenie materiału genetycznego do komórek potomnych. Najbardziej skondensowane chromosomy występują w metafazie – jest to jeden z etapów podziału komórki (patrz: podrozdział 1.4). Chromosomy metafazowe składają się z dwóch chromatyd siostrzanych, a każda z nich ma dwa ramiona: krótkie (p) i długie (q). Centromery, czyli przewężenia chromosomu, dzielące go na dwa ramiona, to odcinki DNA, które w trakcie podziałów komórkowych odpowiadają za przemieszczanie chromosomów do komórek potomnych – ryc. 1.8.

Rycina 1.8. Budowa chromosomów metafazowych.

Jeśli chodzi o ilość materiału genetycznego w komórkach somatycznych, to są to dwie pełne jego kopie (inaczej mówiąc dwa genomy), z których powstają 23 pary chromosomów, zwanych homologicznymi. Spośród nich 22 pary to autosomy, a dwa to chromosomy płci – XX u kobiet i XY u mężczyzn. Komórki z takim podwójnym zestawem chromosomów to komórki diploidalne (2n), natomiast komórki haploidalne (1n) zawierają tylko po jednym chromosomie z każdej pary. Pojedynczy zestaw chromosomów mają komórki rozrodcze (gamety), dzięki temu po ich połączeniu powstaje nowy organizm z odpowiednią ilością materiału genetycznego. Należy pamiętać, że w trakcie interfazy DNA ma postać chromatyny, a chromosomy występują tylko w trakcie podziałów komórki. W związku z tym można też powiedzieć, że komórka haploidalna zawiera jeden genom, a komórka diploidalna ma dwa genomy.

Chromosomy homologiczne mają identyczną budowę (czyli tej samej długości ramiona i położenie centromeru) oraz zawierają te same geny ułożone w tej samej kolejności. Innymi słowy, ten sam gen zajmuje to samo locus (miejsce, liczba mnoga – loci) w obu chromosomach homologicznych. Przy czym należy zwrócić uwagę na fakt, że istnieją różne warianty (allele) tego samego genu. W związku z tym, w obu chromosomach homologicznych mogą znajdować się te same lub różne warianty genu. Jeśli w chromosomach homologicznych są te same allele, to jest to układ homozygotyczny, jeśli różne – układ heterozygotyczny.

1.4 Podziały komórkowe

1.4.1 Mitoza

Mitoza to proces dotyczący komórek somatycznych, w którego wyniku dochodzi do powstania dwóch komórek potomnych, identycznych pod względem genetycznym. Poprzedzona jest przygotowaniem komórki do podziału, które obejmuje m.in syntezę DNA (faza S cyklu komórkowego). Ilość materiału genetycznego w komórce zostaje podwojona (podwójna nić DNA ulega rozdzieleniu, a na każdej z nici syntetyzowana jest nowa). W komórce pojawia się dodatkowa kopia materiału genetycznego, co nie jest zaskakujące, skoro wskutek mitozy mają powstać dwie komórki, które muszą posiadać swój materiał genetyczny. Kopia materiału genetycznego jest identyczna z tą, na podstawie której powstała, a więc obie chromatydy jednego chromosomu zawierają te same geny; dokładnie te same allele danego genu – ryc. 1.9. W związku z tym w interfazie, aż do fazy S, ilość DNA wynosi 2C, a po niej podwaja się do 4C. Ilość 4C to tyle, ile stanowi diploidalny zestaw chromosomów dwuchromatydowych. Innymi słowy, do fazy S w komórce jest taka ilość DNA, która umożliwiłaby utworzenie diploidalnego zestawu chromosomów, jednak jednochromatydowych. DNA zsyntetyzowane w fazie S, w trakcie podziału staje się drugą chromatydą chromosomów.

Rycina 1.9. Układ wariantów genów w chromosomach homologicznych z zaznaczonymi loci genów A i B w układzie heterozygotycznym. Przyjęto posługiwać się symbolami literowymi do opisywania genów. Tą samą literą oznacza się warianty jednego genu, a różne symbole literowe to oznaczenia różnych genów. W chromosomach homologicznych ułożenie genów jest identyczne, ale warianty genów mogą być różne. Chromatydy jednego chromosomu zawierają te same allele.

Analizując ryc. 1.9, można odnieść wrażenie, że w komórce są obecne cztery kopie materiału genetycznego. Należy jednak pamiętać, że jest to stan przejściowy przed podziałem komórkowym, a w trakcie interfazy ilość materiału genetycznego jest o połowę mniejsza.

W przebiegu mitozy wyróżnia się cztery fazy: profazę, metafazę, anafazę i telofazę,które płynnie w siebie przechodzą – ryc. 1.10. W profazie rozpoczyna się proces kondensacji chromosomów i zaczyna się tworzenie wrzeciona podziałowego – centriole wędrują do obu biegunów, a mikrotubule zaczynają polimeryzować. Dochodzi też do rozpadu otoczki jądrowej. Dzięki temu może dojść do interakcji między chromosomami a włóknami wrzeciona podziałowego. W niektórych opracowaniach od tego momentu wyróżnia się etap prometafazy.

W trakcie metafazy chromosomy układają się w płaszczyźnie równikowej komórki i łączą się z włóknami wrzeciona podziałowego w ten sposób, że jeden z chromosomów pary homologicznej połączony jest z jednym, a drugi z drugim biegunem komórki. Następnie dochodzi do podziału centromeru w osi podłużnej. Dzięki temu w anafazie, wskutek kurczenia się włókien wrzeciona podziałowego, chromatydy mogą zostać odciągnięte do przeciwległych biegunów komórki. Do jednego bieguna trafia więc po jednej chromatydzie z każdego chromosomu homologicznego, a zatem pełen zestaw materiału genetycznego. Każda komórka dla prawidłowego funkcjonowania musi mieć komplet materiału genetycznego. Ostatni etap mitozy to telofaza, podczas której zachodzą procesy odwrotne do tych, występujących w profazie, czyli odtwarzana jest otoczka jądrowa, a chromosomy zaczynają dekondensować. Następnie dochodzi do podziału cytoplazmy i zawartych w niej organelli komórkowych, czyli do cytokinezy.

Rycina 1.10. Podział mitotyczny.

Wskutek mitozy z komórki diploidalnej powstają dwie komórki potomne, również diploidalne. Pod względem zawartości DNA w komórce, to – jak wspomniano wcześniej – przed mitozą wynosi ona 4C, natomiast w komórkach potomnych 2C, aż do fazy S cyklu komórkowego.

1.4.2 Mejoza

Podział mejotyczny dotyczy komórek macierzystych gamet i prowadzi do powstania komórek, w których ilość materiału genetycznego jest zredukowana o połowę, czyli z komórek diploidalnych powstają komórki haploidalne (ilość DNA wynosi w nich 1C). Ponadto w trakcie mejozy zachodzi rekombinacja materiału genetycznego, tzn. powstaje nowy układ alleli. To oznacza, że u potomstwa układy wariantów genów są inne niż u rodziców. Mejoza składa się z dwóch podziałów, w których wyróżnia się te same fazy co w mitozie – ryc. 1.11. Rozpoczęcie podziału mejotycznego poprzedzone jest podwojeniem ilości materiału genetycznego, które zachodzi w fazie S cyklu komórkowego.

Rycina 1.11. Podział mejotyczny.

Ze względu na długość i złożoność profazy I wyróżnia się jej pięć stadiów: leptoten, zygoten, pachyten, diploten i diakinezę – ryc. 1.12.

Rycina 1.12. Profaza I mejozy.

Zachodzą w niej ogólne zmiany cytologiczne, podobne jak w profazie mitozy, tj. dezintegracja otoczki jądrowej, rozchodzenie się centrioli do biegunów komórki oraz kondensacja chromosomów homologicznych. W trakcie leptotenu następuje upakowanie nici chromatynowych i wyodrębnienie nitkowatych chromosomów, nie dochodzi jeszcze do ich silnej kondensacji. W zygotenie, kiedy to powstaje kompleks synaptonemalny, dochodzi do bliskiego przylegania chromosomów na całej ich długości. Kompleks synaptonemalny jest strukturą białkową, łączącą sparowane chromosomy wzdłuż chromatyd. Składa się on z elementu centralnego oraz elementów lateralnych, które przylegają bezpośrednio do chromatyd – ryc. 1.13. Kompleks synaptonemalny utrzymuje blisko połączone chromosomy homologiczne podczas całego pachytenu.

Rycina 1.13. Kompleks synaptonemalny.

Podczas pachytenu zachodzi crossing-over – ryc. 1.11, czyli wymiana fragmentów chromatyd między koniugującymi chromosomami homologicznymi. Dzięki temu uzyskiwane są nowe układy wariantów genów w obrębie jednego chromosomu – ryc. 1.14.

Rycina 1.14. Segregacja chromatyd do komórek potomnych. Zaznaczono genotyp wyjściowy i układy alleli, które powstają po crossing-over (c-o) i znajdują się w komórkach potomnych.

Crossing-over zachodzi obligatoryjnie w obrębie każdej pary chromosomów homologicznych. Ma też charakter losowy, czyli do wymiany dochodzi w przypadkowym miejscu sparowanych chromosomów. W diplotenie kompleks synaptonemalny zanika, ale chromosomy homologiczne nadal pozostają połączone przez chiazmy, tj. miejsca, w których zaszło crossing-over. W diakinezie kontynuowana jest kondensacja chromosomów.

Podczas metafazy I sparowane chromosomy homologiczne układają się w płaszczyźnie równikowej komórki. Włókna wrzeciona podziałowego wychodzące z jednego bieguna komórki łączą się z jednym chromosomem homologicznym, a włókna wychodzące z drugiego bieguna – z drugim chromosomem homologicznym. Dzięki temu podczas anafazy I chromosomy homologiczne rozchodzą się do przeciwległych biegunów komórki. To, który chromosom z pary trafi do jednego z biegunów, jest procesem losowym. Na tym etapie zachodzi więc redukcja ilości materiału genetycznego. W telofazie I odtwarzane są otoczki jądrowe, chromosomy częściowo ulegają despiralizacji, następuje cytokineza i powstają dwie komórki potomne, które mają haploidalny zestaw chromosomów. Ponieważ po pierwszym podziale mejotycznym komórki są dwuchromatydowe, przed drugim podziałem mejotycznym nie zachodzi synteza DNA.