Sekwencja nukleotydów w ludzkim DNA

Sekwencja nukleotydów - Kolejność ułożenia nukleotydów w cząsteczce kwasu nukleinowego DNA lub RNA (np. AGCCAGG).

Ramka odczytu - Każda sekwencja nukleotydów DNA może być odczytana w jednej z trzech ramek odczytu: na przykład sekwencja...ACGCCAGCGCCGA... może być odczytana jako ...ACG CCA GCG CCG..., ...CGC CAG CGC CGA... i ...GCC AGC GCC... . Wynika to z tego, że w kodzie genetycznym nie ma znaków przestankowych oddzielających poszczególne kodony( grupa trzech kolejnych nukleotydów ). Każdy gen powinien być odczytywany według jednej ramki odczytu: wtedy uzyskuje się informację dotyczącą kolejności aminokwasów w białku (dwie pozostałe ramki odczytu są bez znaczenia). Niektóre mutacje mogą spowodować zmianę ramki odczytu genu. Białko kodowane przez tak uszkodzony gen będzie miało zmienione wszystkie reszty aminokwasowe położone za miejscem zmiany ramki odczytu i najprawdopodobniej będzie krótsze od oryginalnej cząsteczki białka, bo zmiana ramki odczytu spowoduje wcześniejsze pojawienie się kodonu nonsensownego.



PROJEKT SEKWENCJONOWANIA GENOMU LUDZKIEGO

W latach osiemdziesiątych metoda opracowana przez Brytyjczyka Freda Sangera pozwalała ustalić kolejność literek (A, D, C, G ) w niewielkich, liczących najwyżej 300 par zasad fragmentach DNA, a działanie to nazwano sekwencjonowaniem. Poznanie jednego genu zajmowało lata całemu zespołowi naukowców. W 1986 r. udoskonalono metodę Sangera wprowadzając na rynek pierwszą automatyczną maszynę do sekwencjonowania. I tak w dziedzinę rozszyfrowywania DNA wkroczyły zaawansowane technologie elektroniczne i informatyczne.

Przez lata dziewięćdziesiąte uczeni z wielu laboratoriów na całym świecie pracowali wytrwale nad odczytaniem poszczególnych genów. Sekwencjonowane odcinki DNA człowieka udostępniane były poprzez publicznie dostępną bezpłatną bazę danych nazwaną Bankiem Genów. Zgodnie z założeniami programu zajmowano się tymi genami, których rola w naszym organizmie była znana. Wiadomo było nie tylko, jaka jest sekwencja genu, ale też jaka jest funkcja białka, które powstaje zgodnie z rozszyfrowaną instrukcją.



Rok 2000 zapisze się w historii odkryciem, które w istocie zasługuje na miano odkrycia całego mijającego tysiąclecia: odczytaniem ludzkiego genomu. Niektórzy twierdzą, że jest to osiągnięcie porównywalne z rozbiciem atomu czy lądowaniem człowieka na Księżycu. Wiedza ta z pewnością dogłębnie zmieni nasze życie, i to zapewne we wcale nie tak odległej przyszłości. Pozwoli nam także lepiej poznać dzieje naszego gatunku i umiejscowić w czasie wiele ważnych wydarzeń z naszej ewolucyjnej historii.

Wielkim dniem dla wszystkich naukowców pracowicie ustalających kolejność nukleotydów składających się na ludzki DNA był 26 czerwca 2000 r , bowiem skończył się wstępny etap poznawania genomu człowieka. Naukowcy z firmy biotechnologicznej Celera Genomics i laboratoriów należących do programu Human Genome Project ogłosili, że udało im się ustawić we właściwej kolejności wcześniej zselektowane fragmenty ludzkiego materiału genetycznego.
Komórkowy alfabet genetyczny wykorzystuje cztery litery, czyli cztery nukleotydy DNA: adeninowy (A), guaninowy (G), cytozynowy (C) i tyminowy (T). Prawidłowy przebieg procesów życiowych organizmu zależy od struktury białek, która jest zakodowana w kolejności (inaczej mówiąc - sekwencji) nukleotydów w DNA. Zmiana budowy genów i kształtu cząsteczek białek może prowadzić do uszkodzenia komórek i choroby całego organizmu. Nasze życie w dużym stopniu zależy od genów zamkniętych w naszych komórkach, więc rozszyfrowanie całego materiału genetycznego człowieka ma ogromne znaczenie i dla lekarzy, i dla biologów. Dzięki naukowcom poznaliśmy prawdziwą kolejność ponad trzech miliardów nukleotydów ludzkiego genomu.
Pomimo bowiem dominującego w tym dniu nastroju triumfu dzieło wcale nie jest skończone. W rzeczywistości to dopiero koniec początku poznawania naszej "księgi życia". Mamy w ręku rzecz niebagatelną: pierwsze przybliżenie jej treści, przed nami jednak żmudna praca nad poznaniem pełnej jej edycji. Z 3 miliardów par nukleotydów wchodzących w skład ludzkiego genomu ustalono kolejność około 80% z nich. Pozostały jednak między nimi luki, które teraz trzeba wypełnić. A i tak będzie to ciągle zaledwie wstęp do prawdziwej pracy.

Główne pytanie bowiem brzmi: ile genów zawiera ludzki genom i jaką geny te pełnią w nim funkcję. Genom to nie tylko zestaw instrukcji koniecznych do zbudowania i utrzymywania przy życiu organizmu, np. ludzkiego, ale także zbiorowisko najróżniejszych genetycznych śmieci, zupełnie niepotrzebnego materiału genetycznego, np. pradawnych wirusów, który znalazł się w genomie najczęściej w sposób przypadkowy i, nie szkodząc istnieniu określonego organizmu, powiela się razem z jego własnym DNA. Zwykle zresztą genów aktywnych w różnych momentach życia jest dużo mniej niż owych śmieci. Z ostatnich ocen wynika, że w ludzkim genomie genów jest zaledwie około 35 tysięcy, a nie 140 tysięcy, jak jeszcze zaledwie pół roku temu przypuszczano,czyli niewiele więcej od myszy (około 300 więcej ). Zidentyfikowanie ich w tej masie zbędnego DNA to zadanie gigantyczne. Ale jeszcze trudniejsze będzie ustalenie, jaka jest funkcja poszczególnych genów i w jaki sposób współdziałają one ze sobą.


Dość powiedzieć, że według obecnych szacunków dwie dowolne ludzkie istoty mają 99,9999% funkcjonalnie identycznych genów. Żeby znaleźć przyczyny dzielących nas różnic, trzeba będzie ustalić sieć współzależności łączących poszczególne geny.

Wiedząc, jakie geny są nieaktywne lub nieprawidłowe u osób cierpiących na rozmaite choroby (a przecież podłoże genetyczne mają na przykład różne postacie raka, choroba serca, schizofrenia, alkoholizm czy choroba Alzheimera), będzie można przygotować leki przeznaczone dla tych właśnie konkretnych osób. Trafiałyby one wówczas w dokładnie upatrzony cel, nie powodując żadnych skutków ubocznych. Lekarze przyszłości będą mieli instrukcję obsługi i części zamienne, usuną przyczynę choroby, wymieniając wadliwe geny na zdrowe.

Ustalono, że człowiek ma w sobie geny wielu innych organizmów np. drożdży, bakterii. Zupełnie nowe możliwości otworzy też analiza genomów różnych organizmów. Porównując je ze sobą będzie można prześledzić drogę rozwoju coraz bardziej zaawansowanych ewolucyjnie istot - od bakterii poprzez bezkręgowce do ssaków naczelnych. A być może nawet znaleźć tę część informacji genetycznej, która decyduje o tym, że jesteśmy ludźmi. Niewykluczone również, że uda nam się określić czas naszego dojrzewania ewolucyjnego. Genom nasz zawiera wiele powtarzających się odcinków, które ulegały mutacjom w dającym się oznaczyć tempie. Może będziemy potrafili powiedzieć, kiedy na Ziemi pojawił się genetycznie zdefiniowany gatunek Homo sapiens?
Tworzy się nowa dziedzina wiedzy - genomika. W przeciwieństwie do genetyki, której przedmiotem badań są pojedyncze geny, genomika zajmuje się opisywaniem ich całych zestawów i zasadami rządzącymi ich współdziałaniem.


Zsekwencjonowanie, czyli odczytanie kolejności poszczególnych składników ludzkiego genomu, zajęło kilkuset naukowcom około dziesięciu lat. Dzięki zdobytemu doświadczeniu teraz ustalenie genomu pojedynczej osoby trwałoby krócej - od dwóch do czterech lat .Jednak nowe techniki mogą sprawić, że ustalanie sekwencji DNA dla danego człowieka czy gatunku zwierzęcia byłoby niemal równie szybkie, jak analiza moczu.

Biochemik Susan Hardin i jej czterej współpracownicy z University of Houston pracują nad techniką bezpośredniego odczytu molekularnego całego genomu - czyli całej informacji genetycznej, jaką zawiera DNA w jądrze komórki danego osobnika - w ciągu 24 godzin. Dzięki temu lekarze mogliby się łatwo zorientować, kto jest zagrożony chorobą genetyczną, czy może niewłaściwie zareagować na dany lek itp.

Metoda sekwencjonowania polega na niekonwencjonalnym wykorzystaniu enzymu zwanego polimerazą DNA. W normalnych warunkach syntetyzuje ona nowe DNA biorąc za wzorzec istniejącą nić DNA. Naukowcy z Houston chcą, by polimeraza zadziałała jak czujnik, odczytujący poszczególne nukleotydy tworzące nić DNA. Przekazane do komputera dane pozwoliłyby zbadać skład całego genomu w krótkim czasie.
Niektóre choroby genetyczne ujawniają się pod wpływem warunków środowiska czy określonej diety - wczesne ich wykrywanie pozwoliłoby uniknąć wystąpienia objawów. Z kolei firmy farmaceutyczne opracowały wiele leków na najrozmaitsze choroby, które co prawda znakomicie działają u 90 procent populacji, ale za to u pozostałych 10 procent mogą dać fatalne następstwa. Obecnie nie mogą być wykorzystane, ale analiza genomu pozwoliłaby na podawanie ich tylko tym osobom, którym nie zaszkodzą.