Wykorzystanie badań DNA w nauce

1. Badania genomów

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

2. Projekt poznania ludzkiego genomu

Projekt poznania ludzkiego genomuprojekt poznania ludzkiego genomuProjekt poznania ludzkiego genomu (z ang. HGP – Human Genome Project) powstał w 1990 r. Jego celem było poznanie ludzkiego genomugenomgenomu oraz stworzenie map wszystkich chromosomów. Początkowo zakładano, że realizacja projektu zajmie 15 lat, jednak dzięki bardzo szybkiemu rozwojowi technik inżynierii genetycznej ukończono go już po 13 latach. Projekt był sponsorowany przez Departament Energii USA oraz Narodowy Instytut Zdrowia USA. Instytucje te przeznaczyły na jego realizację 3 mld dolarów. W efekcie 14 kwietnia 2003 r. opublikowano dokument zawierający sekwencję 99% ludzkiego genomu.

Obecnie w wyniku badań nad ludzkim genomem dowiedziono, że:

• liczba genów człowieka jest mniejsza niż wcześniej zakładano i wynosi ok. 21,5 tysięcy;

• 97% łańcucha DNA nie niesie żadnej informacji (lub zawiera informacje do tej pory niepoznane);

• liczba par nukleotydów stanowiących genom przekracza 3 mld;

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

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

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

R1UKCC04di77p

Fotografia z lewej przedstawia biały regał na tle czerwonej ściany. Na regale stoją białe, niemal identyczne tomy. Większość z nich jest oznaczonych cyframi, kilka zaś literami. Na środkowej półce regału leży jeden z tomów, który jest otwarty. Fotografia z prawej przedstawia zbliżenie tej półki i otwartej książki. Jej strony są gęsto zapisane. Ten zapis to sekwencje ludzkiego genomu.

W trakcie prac nad projektem poznania ludzkiego genomu dokonano sekwencjonowania genów organizmów modelowych: bakterii pałeczki okrężnicy (Escherichia coli), drożdży Saccharomyces cerevisiae, nicieni Caenorhabditis elegans i muszek owocowych (Drosophila melanogaster). Zaowocowało to szybszym rozwojem technologii i lepszą interpretacją wyników sekwencjonowania ludzkiego genomu.

3. Wykorzystanie bioinformatyki w filogenetyce

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

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

Zanim metody bioinformatyczne stały się powszechne, biolodzy ewolucyjni stosowali metody anatomii porównawczej do badania pokrewieństwa i ustalania drzew rodowych wymarłych oraz obecnie żyjących organizmów. Okazało się jednak, że rezultaty badań molekularnych często zaprzeczają danym zebranym przez anatomów.

Różnice w ocenie prawdziwości wyników metod tradycyjnych i bioinformatycznych podzieliły środowisko naukowe. Obecnie więcej osób przychyla się do opinii, że to właśnie wyniki badań molekularnych są najbardziej wiarygodne, a przy tym łatwiejsze w stosowaniu. Ponadto umożliwiają przebadanie większej liczby szczątków.

Anatomowie często potrzebują kości lub innych w miarę dobrze zachowanych fragmentów ciała (najlepiej w całości), natomiast do badań molekularnych wystarczy jedynie DNA. Można je pozyskać z niewielkich elementów, których budowa nic nie mówi anatomom. Wyizolowany DNA poddawany jest sekwencjonowaniu, a uzyskane tą techniką sekwencje porównuje się następnie z DNA innych organizmów. Duże podobieństwo świadczy o bliskim pokrewieństwie. W ten sposób można również zestawić ze sobą RNA i białka różnych organizmów.

R5Su9hEsuyLDS

Schemat przedstawia rozgałęziające się w kilku miejscach zielone strzałki. Po prawej stronie za poszczególnymi strzałkami znajdują się nazwy rodzajowe. Strzałki oznaczają pokrewieństwo między organizmami, ustalone na podstawie porównania białka budującego ich receptor jądrowy. Pierwsze odgałęzienie prowadzi prosto do meduzy. Drugie odgałęzienie rozdziela się na kolejne dwa. Jedno z nich prowadzi do rozwielitka i kraba, a drugie do kolejnych dwóch rozgałęzień. Pierwsze z nich prowadzi do skorupiaka i ślimaka, a drugie do następnego rozgałęzienia, które prowadzi do kury oraz oraz do rozgałęzienia na mysz i człowieka.

Ćwiczenie 3

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

• Na serwerze NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) z listy All Databases wybierz nucleotide, a w oknie wyszukiwarki wpisz albumin Mus musculus, a potem, w nowym oknie, albumin Rattus norvegicus.

• Skopiuj sekwencje nukleotydów kodujących obie albuminy.

• Odwiedź stronę https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PAGE_TYPE=BlastSearch

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

• Wybierz zakładkę Alignments, a następnie z listy Alignment view wybierz  Pairwise with dots for identities

• Po chwili pojawi się wynik porównań.

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

Wyjaśnienie znajdziesz w poniższej galerii.

RoJLNyzLC6h91

Ilustracja przedstawia stronę główną serwera NCBI w języku angielskim. Kolorem morskim i cyframi od 1 do 3 oznaczono kolejne kroki instrukcji z polecenia: wybór albuminy myszy. Pod punktem znajduje się wybór bazy danych, w której ma nastąpić wyszukiwanie, w punkcie drugim znajduje się pole do wpisania wyszukiwanej treści, a punkt trzeci wskazuje na przycisk wyszukiwania.

R18WDh43HcHIf

Ilustracja przedstawia kolejny zrzut ekranu. Czerwona ramka wskazuje właściwe pole do kliknięcia. Polecenie nr 5 opisuje podobny sposób postępowania dla albuminy szczura.

R4QeZoFnDhZB1

Ilustracja przedstawia trzeci zrzut ekranu. Czerwona ramka wskazuje miejsce wklejenia skopiowanej sekwencji białka myszy.

RIvEUbwsOXUlS

Ilustracja przedstawia ostatni ekran z wynikiem porównania. W okienku u góry w czerwonej ramce wskazano procentowe podobieństwo obu białek: 90 procent. Wskazano też fragment z identycznymi u obu gatunków sekwencjami.

4. Barkoding DNA, czyli kod kreskowy organizmu

Kod kreskowy (ang. bar‑code), o którym była mowa we wstępie do lekcji, to zbiór informacji na temat poszczególnych produktów znajdujących się w bazie sklepu, hurtownika czy producenta. Jego głównym zastosowaniem jest automatyczna identyfikacja towarów w banku danych.

Analogię do kodu kreskowego u organizmów stanowi sekwencja genetyczna. Jest to unikatowy kod każdej istoty. Rozpoznawszy sekwencję nukleotydów konkretnych osobników, można ze stuprocentową pewnością określić ich przynależność gatunkową.

Istnieją już pomysły i pierwsze próby sporządzenia biblioteki kodów wszystkich organizmów. Bardzo ważnym aspektem w tworzeniu takiego zbioru jest odpowiedni dobór obszaru sekwencji genetycznych znajdujących się w bazie danych. Do identyfikacji należy wytypować taki region DNA, który będzie się powtarzał u osobników tego samego gatunku, ale równocześnie będzie unikatowy na poziomie analiz międzygatunkowych. Dla konkretnego gatunku niezbędne więc będzie określenie specyficznej sekwencji nukleotydów, służącej do porównań.

Funkcjonuje już baza BOLD (Barcode of Life Data System). W 2005 r. znajdowały się w niej 33 tysiące barkodówBarkoding DNAbarkodów (znaczników DNA) dla 12,7 tysięcy gatunków. Osiem lat później baza liczyła już ponad 2,6 mln znaczników dla ok. 190 tysięcy gatunków. W 2022 r. baza obejmuje ponad 9 mln znaczników dla więcej niż 300 tysięcy gatunków. Każdy z nich zawiera nazwę gatunkową, sekwencję kodu, datę oraz miejsce znalezienia osobnika, zdjęcia i inne dodatkowe informacje.

RnC7AUVwdoOF4

Fotografia przedstawia cztery ryby różnych gatunków w dwóch rzędach. U góry znajduje się tuńczyk żółtopłetwy posiadający ciemne ubarwienie w górnej części ciała oraz srebrzyste w dolnej. Obok niego znajduje się lucjan purpurowy o różowo pomarańczowym ubarwieniu. W dolnym rzędzie po lewej stronie znajduje się tuńczyk południowy z ciemno granatowym grzbietem oraz jasnym podbrzuszem. Obok niego znajduje się lucjan czerwony z czrwonymi łuskami na grzbiecie oraz jaśniejszymi bliżej głowy. W środku znajdują się cztery kolorowe kody kreskowe, odpowiadające poszczególnym rybom.

Podsumowanie

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

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

• Współczesna filogenetyka korzysta z metod biologii molekularnej.

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

• Każdy organizm ma swój unikatowy identyfikator – sekwencję genetyczną.

Słownik

Zadania