Tytuł oryginału: Genes: A Very Short Introduction

Rada Naukowa serii Krótkie Wprowadzenie

Jerzy Gajdka, Ewa Gajewska, Krystyna Kujawińska Courtney Aneta Pawłowska, Piotr Stalmaszczyk

Redaktorzy inicjujący serii Krótkie Wprowadzenie

Urszula Dzieciątkowska, Agnieszka Kałowska

Tłumaczenie

Joanna Chojak-Koźniewska, Bartłomiej Koźniewski

Redakcja

Aurelia Hołubowska

Skład i łamanie

Munda – Maciej Torz

Projekt typograficzny serii

Tomasz Przybył

Genes: A Very Short Introduction was originally published in English in 2014. This translation is published by arrangement with Oxford University Press. Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego is solely responsible for this translation from the original work and Oxford University Press shall have no liability for any errors, omissions or inaccuracies or ambiguities in such translation or for any losses caused by reliance thereon

© Copyright by Jonathan Slack 2014

© Copyright for this edition by Uniwersytet Łódzki, Łódź 2017

© Copyright for Polish translation by Joanna Chojak-Koźniewska i Bartłomiej Koźniewski, Łódź 2017

Publikacja sfinansowana ze środków Wydawnictwa Uniwersytetu Łódzkiego

Wydane przez Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego

Wydanie I. W.07676.16.0.M

Ark. wyd. 5,3; ark. druk. 8,625

Paperback ISBN Oxford University Press: 978-0-19-967650-7

ISBN 978-83-8088-599-8

e-ISBN 978-83-8088-600-1

Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego

90-131 Łódź, ul. Lindleya 8

www.wydawnictwo.uni.lodz.pl

e-mail: ksiegarnia@uni.lodz.pl

tel. (42) 665 58 63

Spis ilustracji

1 Owca rasy leicester

Heritage Images/Glowimages.com

2 Groszek Mendla

3 Dwuwymiarowa struktura DNA

4 Trójwymiarowa struktura DNA

5 Synteza białek

6 Struktura genu

7 Zachowanie się chromosomów podczas podziału komórki

Jonathan M.W. Slack, Essential Developmental Biology, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Hoboken 2012

8 Endosymbioza

9 Rozwój

Jonathan M.W. Slack, Essential Developmental Biology,3rd Edition, John Wiley & Sons, Hoboken 2012

10 Keto-enol

11 Rodzina Romanowów

Heritage Images/Glowimages.com

12 Tbx5

Obraz dostarczony przez B. Bruneau. Kopia z: Agarwal P. et. al., „Development” 2003, nr 130 (3), s. 623–633. Za pozwoleniem The Company of Biologists

13 Haplogrupy

14 Wspólni przodkowie

15 Migracja

16 Wysoki i nisk

© AFP/Getty Images

17 Dryf genetyczny

18 Drzewo życia

19 Lelczyk

Przedmowa

Czym jest gen? Zasadniczo jest on odcinkiem DNA, występującym w każdej z naszych komórek, który kontroluje syntezę jednego konkretnego białka w naszym ciele. Ale ta prosta definicja nie oddaje bogactwa koncepcji genów i silnego ich wpływu na całość nauk przyrodniczych. Na przykład niektóre geny nie kodują białek, inne w ogóle nie są aktywne, co do jeszcze innych uważa się, że istnieją, lecz nie zostały zidentyfikowane w odniesieniu do DNA.

Każdy słyszał o genach i dotarliśmy do punktu, w którym uznaliśmy, że mają one fundamentalne znaczenie dla tego, kim jesteśmy. Ale jest też wiele wątpliwości i sprzecznych opinii na ich temat. Na przykład, czy to, że mój krewny pierwszego stopnia ma raka, oznacza, że mam „geny raka”? Jeśli posiadam geny, które znaleziono również w szczątkach z epoki kamienia łupanego, czy to znaczy, że jestem bardzo prymitywny? Czy istnienie „samolubnych genów” oznacza, że człowiek jest z natury egoistą?

Wiemy również, że wiedza o genach leży u podstaw ogromnego rozwoju technologii, dzięki któremu powstają farmaceutyki, testy diagnostyczne, sposoby identyfikacji w medycynie sądowej, testy na ojcostwo i uprawy GMO – dobrze widziane przez jednych i wzbudzające strach u innych. Wielu ludzi podejrzliwie podchodzi do pojęcia genów, gdy jest ono stosowane w odniesieniu do rasy, inteligencji, przestępczości czy innych cech ludzkich, podczas gdy inni zakładają, że te rzeczy w głównej mierze zależą właśnie od genów. Mnóstwo osób pragnie zrozumieć to coś, co tak mocno wpływa na ich życie, ale wciąż wydaje się dość tajemnicze i niezrozumiałe.

Ta książka nie jest podręcznikiem genetyki, ale stanowi krótkie wprowadzenie do różnych koncepcji dotyczących genu funkcjonujących obecnie w naukach przyrodniczych. Jej celem jest przybliżenie czytelnikom najważniejszych zagadnień związanych z genami, umożliwienie oceny kwestii spornych i – jeśli tego zapragną – przejścia do bardziej zaawansowanych tekstów.

Rozdział 1

Geny przed rokiem 1944

W 1938 r. w „Quarterly Review of Biology” opublikowano parę niezwykłych artykułów. Ich autorem był amerykański profesor biologii z Uniwersytetu Missouri, Addison Gulick, a dotyczyły natury genu. Obecnie mało kto odnosi się do tych artykułów, gdyż napisano je na krótko przed odkryciem, że geny są zbudowane z kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA). Jednak są one godne uwagi ze względu na to, że pokazują, jak wiele było wiadomo o genach, zanim jeszcze poznano ich charakter chemiczny. Gulick wiedział, że geny znajdują się w chromosomach jądra komórki i są złożonymi strukturami, które w jakiś sposób kierują syntezą enzymów i rozwojem organizmu. Wiedział też, że zazwyczaj w kolejnych pokoleniach pozostają one stabilne i że okazjonalne zmiany, zwane mutacjami, mogą rozprzestrzeniać się w populacji i być podstawą ewolucji drogą doboru naturalnego. Gulick również zaskakująco dokładnie oszacował wielkość i liczbę genów w różnych rodzajach organizmów. Artykuły te pokazują, że aby zrozumieć, skąd wzięło się nasze obecne rozumienie idei genu, musimy cofnąć się o wiele dalej niż do słynnej podwójnej helisy, odkrytej przez Watsona i Cricka w 1953 r.

Do ukształtowania współczesnego punktu widzenia prowadziły dwa zupełnie różne kierunki pracy, które połączyły się krótko po publikacji artykułów Addisona Gulicka, tworząc nowy obszar nauki – biologię molekularną. Jednym z tych kierunków było badanie dziedziczności na drodze eksperymentów biologicznych, a drugim – badanie chemii DNA.

Biologia dziedziczenia

Przed XVIII w. powstały jedynie pewne spekulacje na temat dziedziczenia. Nie istniał nawet sam termin (heredité po raz pierwszy pojawiło się we Francji, genetic w Anglii, oba w okolicy roku 1830). Wcześniej prowadzono wiele hodowli zwierząt i pojawiały się niejasne idee linii krwi, ale nie było to poparte dogłębnym poznaniem procesu reprodukcji. W XVIII w. rozpoczęto pierwszą systematyczną hodowlę zwierząt rolnych. Robert Bakewell, hodowca owiec z Dishley w pobliżu Loughborough w Anglii, wyprowadził linię owiec rasy leicester, które rosły szybciej i dawały więcej mięsa niż wcześniejsze pokolenia (ilustracja 1). Dokonano tego przez łączenie w pary najlepszych samców i samic, aby utworzyć samoreprodukującą się populację (rasę), która utrzymywała nowe cechy w stabilny sposób. Doświadczenia w hodowli zwierząt mówiły, że dziedziczność związana jest z mieszaniem lub uśrednianiem różnych cech, znanych również jako własności, pochodzących od rodziców. Było zrozumiałe, że hodowcy zwierząt powinni wierzyć w mieszanie się cech, ponieważ jest ono widoczne, gdy zwierzęta są kojarzone i bada się własności takie jak wysokość, waga lub szybkość przyrostu masy. Ale teoria dziedziczenia przez mieszanie miała stać się poważnym problemem dla Darwinowskiej teorii doboru naturalnego.

W połowie XIX w., w okresie, gdy Darwin prowadził swoje badania, fakt, że ewolucja biologiczna miała miejsce, był stosunkowo często uznawany przez naukowców, głównie na podstawie zmian obserwowanych w zapisie kopalnym. Faktycznym wpływem prac Darwina, i współczesnego mu Alfreda Wallace’a, było przedstawienie rzeczywistego i wiarygodnego mechanizmu zmian obserwowanych w organizmach żywych w miarę upływu czasu ewolucyjnego. Mechanizmem tym był dobór naturalny. Jego założenia są proste: gdy populacja zwierząt lub roślin ulega zmianom w zakresie pewnych cech, to jeśli te cechy są dziedziczne i jeżeli mają one wpływ na prawdopodobieństwo reprodukcji, skład populacji nieuchronnie będzie ulegał zmianom w kolejnych pokoleniach. Cechy związane ze wzrostem poziomu reprodukcji staną się bardziej powszechne, a ostatecznie wyprą inne opcje. Kierunek i prędkość zmiany będą określane przez selektywne warunki, które powodują zróżnicowanie reprodukcji osobników o różnych cechach. Teoria doboru naturalnego wydaje się bardzo atrakcyjna, szczególnie w postaci przedstawionej przez Darwina w O powstawaniu gatunków (1859), który to tytuł zawiera mnóstwo zróżnicowanych przykładów zaczerpniętych z historii naturalnej, wspierających tę ideę. W tamtym okresie główny sprzeciw wobec tej teorii pochodził od grup religijnych, które zdały sobie sprawę, że zasada doboru naturalnego podważa istotny argument z projektu, potwierdzający istnienie Boga, a także od tych, którzy poczuli się obrażeni pomysłem biologicznego pokrewieństwa między ludźmi i zwierzętami. Istniała też opozycja naukowa, a najpoważniejszą była ta, która skupiała się na trudności pogodzenia doboru naturalnego z dziedziczeniem przez mieszanie.

1. Owca rasy leicester. Z książki Davida Lowa The Breeds of Domestic Animals of the British Islands, Londyn 1842

Załóżmy, że jakiś osobnik jest nieco lepiej przystosowany do rozmnażania niż inne ze względu na posiadanie określonej cechy. Ponieważ korzystna cecha jest rzadka, on lub ona najprawdopodobniej zwiąże się z jednostką bez takiej cechy i ich potomstwo uzyska ją w postaci rozcieńczonej. Po trzech lub czterech pokoleniach dziedziczne czynniki odpowiedzialne za tę cechę zostaną rozcieńczone niemal całkowicie. Więc selekcja może działać tylko przez kilka pokoleń, a taki czas nie wystarczy, aby zmienić całą hodowlaną populację, chyba że zaleta reprodukcyjna nadawana przez nową cechę jest rzeczywiście bardzo duża. Sam Darwin zdawał sobie sprawę z tego problemu, ale jednocześnie był przeciwny idei wielkich skoków w ewolucji i sprzyjał pomysłowi, że ewolucja działa w spokojny, niezauważalny sposób poprzez wiele drobnych zmian.

Niektórzy myśliciele na bazie tego argumentu doszli do wniosku, że czynniki dziedziczne odpowiedzialne za ewolucję muszą mieć duże efekty, tak by znacząca selekcja mogła wystąpić, zanim ulegną one całkowitemu rozcieńczeniu. W ten sposób cecha może stać się na tyle powszechna, by w pary byli kojarzeni także ci rodzice, którzy ją posiadają, dzięki czemu w ich potomstwie nie będzie ona rozcieńczona.

Wśród tych myślicieli był William Bateson, który w swojej książce Materials for the Study of Variation (1894) zebrał niezwykły zestaw przykładów nieciągłej i jakościowej zmiany w obrębie populacji zwierząt i roślin. Bardziej bezpośredni dowód na istnienie dużych zmian dziedzicznych dały obserwacje spontanicznie występujących mutacji. W szczególności holenderski botanik Hugo de Vries w 1886 r. zaobserwował pojawienie się de novo nieznanych dotąd form wiesiołka, które w kolejnych pokoleniach tworzyły czystą linię. Niemniej jednak dziedziczenie przez mieszanie pozostało poważnym problemem dla teorii doboru naturalnego.

W rzeczywistości rozwiązanie problemu zostało przewidziane już w 1866 r. przez Gregora Mendla, mnicha z opactwa św. Tomasza w Brnie (obecnie w Czechach). Na początku XIX w. Brno było centrum produkcji tekstyliów i hodowli owiec, a opactwo miało już dwuhektarowy ogród eksperymentalny. Mendel zyskał wiedzę na temat hodowli zwierząt i roślin w trakcie studiów filozoficznych na Uniwersytecie w Ołomuńcu, a opat sugerował mu kontynuowanie prac w Brnie. W latach 1856–1863 Mendel przeprowadził szereg eksperymentów z groszkiem. Miał to szczęście, że wybrał proste oznaki, które nazywał cechami, będące skutkiem działania pojedynczych genów, a nie oznaki złożone, zależne od wielu genów. Wśród tych oznak były: gładka lub pomarszczona powierzchnia ziaren oraz ich zielony lub żółty kolor. Mendel uważał, że istnieją niewidzialne czynniki wpływające na występowanie każdej z widocznych oznak, i udowodnił, że istnieją również przewidywalne zasady ich dziedziczenia. Jego eksperymenty hodowlane wykazały, że każda pojedyncza roślina zawiera dwa czynniki odpowiadające za daną oznakę, po jednym pochodzącym od każdego z rodziców. Gdy powstają komórki rozrodcze (pyłek lub komórki jajowe), każda z nich zawiera tylko jeden czynnik losowo wybrany spośród dwóch występujących w danej roślinie. W niektórych przypadkach jeden czynnik będzie tłumić drugi: obecnie nazywamy go genem dominującym. Na przykład skrzyżowanie żółtego i zielonego groszku daje tylko żółte potomstwo. Jednak jeśli to potomstwo zostanie ze sobą skrzyżowane, to 25% kolejnego pokolenia będzie zielone, co wskazuje, że czynniki zielone nadal istnieją, lecz nie mogą być uwidocznione w obecności czynników żółtych (ilustracja 2).

2. Groszek Mendla. Gdy żółty groszek jest krzyżowany z groszkiem zielonym, nasiona z pierwszego pokolenia są żółte. Ale gdy członkowie pierwszego pokolenia zostaną skrzyżowani ze sobą, to 25% nasion drugiego pokolenia jest zielonych. Mendel, postulując istnienie czynników tutaj nazywanych Y (od yellow – żółty) i g (od green – zielony), wyjaśnił to tak, że czynnik żółty dominuje nad zielonym u osobników, u których występują oba te czynniki

Tak więc Mendel wykazał, że czynniki dziedziczne zachowywały się w postaci odrębnych jednostek, tak że każdy rodzic przekazywał jeden czynnik każdemu potomkowi, a wygląd potomstwa zależał od określonej kombinacji dziedziczonych czynników i zasad dominacji pomiędzy nimi. Mendel opublikował swoją pracę w „Verhandlungen des naturforschenden den Vereines in Brünn” w 1866 r. Było to jednak, jak nazwalibyśmy je dzisiaj, czasopismo o niskim indeksie cytowań, i nikt nie zauważył tej publikacji. Po tym jak w roku 1868 został opatem, Mendel był zajęty głównie obowiązkami administracyjnymi. Zmarł w 1884 r., kiedy większość świata wciąż nie miała pojęcia o podstawowych zasadach genetyki, które odkrył.

Wiek XX

W Europie Zachodniej i Ameryce trwały dyskusje nad tym, czy dobór naturalny może działać poprzez dziedziczenie przez mieszanie i czy mutacje o dużym efekcie są wiarygodnym źródłem zmienności. Dopiero w roku 1900 prace Mendla zostały ponownie odkryte i rozwinięte. Za ten stan rzeczy odpowiedzialnych było kilka osób, w tym Hugo de Vries, który zasłynął za sprawą badań mutacji, i niemiecki botanik Carl Correns. Od razu stało się jasne, że główne sprzeczności przestały istnieć. Czynniki Mendla były stabilne i utrzymywały się z pokolenia na pokolenie, a zmienność populacji istniała ze względu na różnice między czynnikami, które występowały u każdego osobnika. Nie było więc konieczne postulowanie nowych mutacji, by wyjaśnić każdą nowo pojawiającą się odmianę. Co więcej, bardziej skomplikowane oznaki, których dziedziczenie wydawało się mieć charakter mieszania, można było wyjaśnić jako wynik działania szeregu niezależnych czynników Mendla.

Pod koniec XIX w. ulepszone mikroskopy i uzyskane dzięki przemysłowi chemicznemu nowe barwniki zwiększyły możliwości wizualnego badania komórek i ich jąder. Pracujący w Kilonii niemiecki anatom Walther Flemming jako pierwszy zidentyfikował chromosomy i opisał proces podziału komórki, zwany dziś mitozą, w którym chromosomy trafiają do jąder obu komórek potomnych. Belgijski cytolog Edouard van Beneden wykazał, że każdy gatunek ma charakterystyczną dla siebie liczbę chromosomów i że taka sama liczba chromosomów znajduje się w wielu różnych typach komórek danego organizmu. Van Beneden badał chromosomy nicieni Ascaris podczas podziałów komórkowych w ich organizmach i udowodnił, że liczba ta była zachowywana, ale spadała o połowę w czasie tworzenia komórek rozrodczych (podziały tworzące komórki rozrodcze są obecnie nazywane podziałami mejotycznymi lub – krócej – mejozą).

Na początku XX w., po odkryciu prac Mendla, Theodor Boveri w Niemczech i Walter Sutton w USA niezależnie wykazali, że chromosomy zachowywały się podobnie jak czynniki dziedziczenia Mendla. Od tego czasu większość naukowców uważała, że chromosomy są czynnikami dziedziczenia lub przynajmniej je zawierają. Same czynniki dziedziczenia w 1909 r. zostały nazwane Gene (w języku niemieckim to rzeczownik w liczbie mnogiej, odpowiednik genes w języku angielskim) przez Wilhelma Johannsena, profesora fizjologii roślin na Uniwersytecie w Kopenhadze. Określenie to pochodzi od greckiego γενεα („pokolenie” lub „rasa”). Stanowi ciekawy przykład nazwy obiektu pochodzącej od nazwy procesu, jako że „genetyczny” był terminem funkcjonującym od 1830 r., a rzeczownik „genetyka” został wprowadzony przez Williama Batesona w 1905 r.

W kolejnych latach centrum zainteresowania genami przeniosło się do USA, gdzie na Uniwersytecie Columbia Thomas Hunt Morgan stworzył podstawy współczesnej genetyki poprzez swoje badania na muszce owocowej Drosophila. Drozofila jest małym owadem o szybkiej wymianie pokoleń. Wiele osobników można trzymać w małych próbówkach, można też przeprowadzić wiele krzyżowań w rozsądnych ramach czasowych, a ponadto na powierzchni ciała tych owadów widocznych jest wiele złożonych cech anatomicznych, które można obserwować, stosując zwykłą kontrolę wizualną. Tak więc drozofila bardzo dobrze nadaje się do badań genetycznych w laboratorium. Pomimo wielu wysiłków nie odkryto sposobów na indukowanie nowych mutacji, ale odkryto kilka mutacji spontanicznych, które wykorzystano w badaniach hodowlanych. Podczas gdy czynniki Mendla oddzieliły się od siebie pod względem ich obecności u osobników z kolejnego pokolenia, większość mutacji Morgana u drozofili nie wykazała tego efektu. Różnica polega na tym, że drozofila ma tylko cztery chromosomy, a więc jest bardzo prawdopodobne, że dwa geny znajdują się na tym samym chromosomie, a zatem są przekazywane do komórek rozrodczych. Jednak geny na tym samym chromosomie czasem ulegają rozdzieleniu i Morgan mógł dojść do wniosku, że miało to miejsce, ponieważ dwa chromosomy rodzicielskie zawsze tworzą pary ze sobą w ostatnim podziale komórki (mejozie), prowadząc do powstawania komórek rozrodczych (pyłku, plemników, jaj). Podczas tego etapu parowania chromosomy mogą pękać i ponownie łączyć się tak, że następuje wymiana segmentów. Więc gen, który znajdował się na jednym chromosomie rodzicielskim, może przyłączyć się do tego, który znajdował się na drugim, oraz zostać wspólnie z nim przekazany do komórek rozrodczych. Co ważne, prawdopodobieństwo rozdzielenia dwóch genów zależy od odległości między nimi. Tak więc częstość segregacji genów na tym samym chromosomie stała się podstawą do mapowania genetycznego. Korzystając z tych technik, grupa Morgana stworzyła dokładne mapy chromosomów drozofili, pokazujące pozycje wielu genów, dla których dostępne były widoczne mutacje.

Jeden z uczniów Morgana, Hermann Müller, pracujący wtedy na Uniwersytecie Teksasu, w końcu odkrył, w jaki sposób można generować nowe mutacje drozofili. Kluczem było promieniowanie rentgenowskie. Po naświetlaniu chromosomy często wykazywały widoczne zmiany, uwydatniając tym samym powiązanie między chromosomami i genami. Na początku 1930 r. okazało się, że ślinianki larw drozofili zawierają chromosomy olbrzymie, znacznie większe niż znajdowane w większości innych typów komórek. Te umożliwiały dostrzeżenie pod mikroskopem o wiele większej liczby szczegółów niż chromosomy normalnej wielkości, a gdy odpowiednio je zabarwiono, można było zobaczyć, że zawierają tysiące pasm, które wydawały się być pojedynczymi genami lub małymi grupami genów. W wyniku tego programu prac nad drozofilami szkoła Morgana ostatecznie udowodniła, że geny znajdują się na chromosomach, gdzie układają się w sposób liniowy, i że każda komórka zawiera zestaw chromosomów pochodzących od obojga rodziców: dwie kopie każdego z chromosomów w komórkach ciała i jedną kopię każdego w komórkach rozrodczych.

Pod koniec XIX w. rozkwitła inna dyscyplina naukowa, którą obecnie nazywamy statystyką. W odniesieniu do ewolucji szkoła Karla Pearsona („biometrycy”) trzymała się darwinowskiej ortodoksji i uznawała, że dziedziczenie jest ściśle ilościowe i ciągłe i że ewolucja przebiegała małymi krokami. Chociaż pozornie sprzeczna z mendelizmem, tradycja „biometryczna” została z nim ostatecznie pogodzona w pracach Ronalda A. Fishera. Fisher był przez wiele lat dyrektorem rolniczej stacji doświadczalnej w Rothamsted w Anglii, gdzie opracował większość metod statystycznych obecnie wykorzystywanych do projektowania i analizy eksperymentów ilościowych. Jest on także ojcem współczesnej genetyki ilościowej. Fisher wykazał, że cechy ilościowe, takie jak wysokość i waga, mogą być uznane za wynik działania kilku genów Mendla, z których każdy ma warianty o innych właściwościach, oraz że mieszanie widoczne w takich przypadkach było całkowicie zgodne z założeniami genetyki mendlowskiej. Razem z Sewallem Wrightem z Uniwersytetu w Chicago i Johnem B.S. Haldane’em, ówcześnie z Uniwersytetu w Cambridge, Fisher stworzył to, co od tego czasu znane jest jako nowoczesna synteza, która jest zasadniczo teorią doboru naturalnego w zakresie genetyki Mendla.

Na początku XX w. nastąpił również olbrzymi wzrost wiedzy o sposobie, w jaki żywe organizmy przekształcają żywność w energię i materiały do wzrostu. Wykazano, że każdy etap metaboliczny jest jedną transformacją chemiczną, katalizowaną przez enzym, i że enzymy same są białkami. George Beadle i Edward Tatum, pracujący na Uniwersytecie Stanforda, wybrali pleśń chlebową Neurospora crassa jako bardziej przydatną niż muszka Drosophila do badań biochemicznych. Neurospora crassa może być hodowana na prostym podłożu agarowym, a jeśli mutacja spowoduje u niej niezdolność do syntezy danej substancji, to pleśń może nadal rosnąć, dopóki ta substancja jest dodawana do pożywki.

Beadle i Tatum poprzez naświetlanie rentgenowskie stworzyli wiele zmutowanych szczepów i wykazali, że każda mutacja prowadziła do braku specyficznego enzymu. Doszli do wniosku, że geny albo były enzymami, albo kontrolowały ich powstawanie. Zostało to później zawarte w haśle „jeden gen, jeden enzym”.

Jak widać, na początku drugiej wojny światowej sporo już wiedziano o genach. Było jasne, że znajdują się one na chromosomach w jądrze komórkowym, że chromosomy występują w parach i że jeden chromosom w parze pochodzi od jednego z rodziców, a drugi od drugiego, a także że każdy gen jest w jakiś sposób odpowiedzialny za wytwarzanie lub aktywność specyficznego enzymu. Wiadomo było, że zmiany w genach – mutacje – mogą być wywołane przez promienie rentgenowskie, a także przez pewne substancje chemiczne, które w związku z tym nazwano mutagennymi. Tym, czego nie znano, był charakter chemiczny genu. Z czego tak naprawdę zbudowane są geny? Gdy Addison Gulick pisał swoje artykuły przeglądowe, był to poważny problem. Podobnie jak większość współczesnych mu naukowców zakładał, że są to duże cząsteczki, prawdopodobnie składające się z białek lub kompleksów białkowych. Ale tożsamość cząsteczek, to, w jaki sposób mogą być replikowane i jak mogą kontrolować powstawanie enzymów, było nadal tajemnicą.

DNA

Wbrew panującemu ogólnie przekonaniu DNA jest znane w biochemii już od dawna. Zostało ono odkryte w 1869 r. przez Friedricha Mieschera, szwajcarskiego biochemika pracującego na Uniwersytecie w Tybindze w Niemczech. Miescher badał białe krwinki, które pozyskiwał w dużych ilościach z ropy wyciśniętej z bandaży pacjentów chirurgicznych. Stosując enzym pepsynę, wyizolował jądra komórek, a następnie ekstrahował je słabą zasadą i wytrącał kwasem. W ten sposób uzyskał substancję nazwaną nukleiną. Badając ją, stwierdził, że zawiera fosfor, była jednak całkowicie odmienna od innych znanych w tamtym okresie związków biologicznych zawierających fosfor. Miescher uznał, że funkcją nukleiny jest po prostu przechowywanie fosforu w organizmie. Późniejszy postęp badań był bardzo powolny jak na współczesne standardy. W przeciwieństwie do biologii, gdzie eksperyment hodowlany w roku 1880 mógł być przeprowadzony z niemal równą łatwością jak w roku 1980, w chemii techniki badawcze pod koniec XIX w. były bardzo prymitywne. Znano niewiele metod rozdzielania substancji; zwykle stosowano wytrącanie za pomocą soli lub rozpuszczalników. Istniało też niewiele sposobów analizy nawet prostych struktur cząsteczkowych; podstawową było oczyszczenie danej substancji, a następnie określenie proporcji wagowych każdego pierwiastka, który ją tworzył. Szczególne trudności występowały w chemii biologicznej zajmującej się dużymi cząsteczkami, które w niesprzyjających warunkach łatwo ulegają uszkodzeniu.

W latach 1880–1900 Albrecht Kossel, pracujący na Uniwersytecie w Berlinie, przeprowadził szeroko zakrojone badania nad nukleiną. W tym czasie substancja ta stała się znana jako kwas nukleinowy ze względu na jej kwasowość wynikającą z wysokiej zawartości grup fosforanowych. Kossel stwierdził, że głównymi składnikami kwasów nukleinowych jest pięć zasad: adenina, tymina, cytozyna, guanozyna i uracyl. W chemii zasada jest substancją alkaliczną, a wszystkie wymienione substancje są słabo zasadowe ze względu na zawarte w nich grupy aminowe (NH2). Zazwyczaj są one oznaczane jednoliterowymi skrótami: A, T, C, G, U. Kolejne szeroko zakrojone badania chemiczne zostały przeprowadzone na początku XX w. przez Phoebusa Levene’a w Instytucie Badań Medycznych Rockefellera w Nowym Jorku. Levene zidentyfikował cukier rybozę, a później jej bliską „krewną” – dezoksyrybozę, jako składniki kwasów nukleinowych. Co najważniejsze, doszedł on do wniosku, że kwasy nukleinowe są długimi cząsteczkami, w których zasady, cukry i fosforany łączą się ze sobą w łańcuch. Do roku 1935 rzeczywista struktura chemiczna kwasów nukleinowych w zasadzie została w pełni poznana, m.in. wskazano położenie zasad i przyłączenia dwóch fosforanów do każdej cząsteczki cukru (ilustracja 3). Nie wdając się w szczegóły, należy zauważyć, że liczba potencjalnych sposobów połączenia w całość zasad, cukrów i fosforanów jest ogromna, a odkrycie, że zasady są przyłączone w pozycji 1’ cukru, zaś fosforany w pozycjach 3’ i 5’ (numery z apostrofami wskazują poszczególne atomy węgla w cukrze), było dużym postępem w poznawaniu tej struktury.

Jeśli chodzi o nomenklaturę chemiczną, nukleozyd składa się z zasady połączonej z cukrem, nukleotyd z nukleozydu związanego z grupą fosforanową, a kwas nukleinowy z wielu nukleotydów połączonych ze sobą tak jak pokazano na ilustracji 3. W latach 20. XX w. stało się oczywiste, że istnieją dwie główne klasy kwasów nukleinowych. Zwierzęcy kwas nukleinowy (obecnie zwany kwasem deoksyrybonukleinowym lub DNA) zawiera deoksyrybozę jako cukier oraz A, C, G i T jako zasady. Roślinny kwas nukleinowy (obecnie znany jako kwas rybonukleinowy lub RNA) zawiera rybozę jako cukier oraz A, C, G i U jako zasady.

W rzeczywistości i zwierzęta, i rośliny zawierają tak DNA, jak i RNA, ale DNA znajduje się przede wszystkim w jądrach komórkowych, a RNA w otaczającej je cytoplazmie. Nazwy te powstały dlatego, że DNA było ekstrahowane głównie z grasicy cielęcej, która zawiera wiele komórek o dużych jądrach i mało cytoplazmy, podczas gdy RNA zwykle ekstrahowano z drożdży, które mają małe jądra i dużo cytoplazmy. Pod koniec lat 30. XX w. zrozumiano, że nomenklatura stosująca określenia „zwierzęcy” i „roślinny” nie jest odpowiednia.

3. Dwuwymiarowa struktura DNA. Rysunek przedstawia strukturę chemiczną jedynie pięciu nukleotydów. Każdy nukleotyd składa się z cukru, który zawiera pierścień z czterech atomów węgla i jednego atomu tlenu, związany z zasadą, przedstawioną tutaj tylko jako A, C, G, T, i sąsiadującym cukrem przez grupę fosforanową. 5’ i 3’ są numerami różnych atomów węgla w cukrze

Zatem od czasu publikacji artykułów Addisona Gulicka w oparciu o badania biologiczne powstał bardzo dokładny obraz genu, a chemia DNA i RNA została w dużej mierze rozpracowana. Więc dlaczego nikt nie zdawał sobie sprawy, że geny są zbudowane z DNA? Zdecydowały o tym dwie istotne kwestie. Po pierwsze, najpopularniejsze z przekonań dotyczących struktury DNA stwierdzało, że jest to tetranukleotyd. Innymi słowy, uważano, że każda cząsteczka DNA złożona jest z nukleotydów zawierających A, C, G i T. Sądzono tak, ponieważ kiedy DNA poddawano degradacji, uzyskiwano w przybliżeniu równe ilości każdej z czterech zasad. Również pomiary masy cząsteczkowej DNA wykazywały wartość około 1500, co odpowiada wielkości czterech połączonych nukleotydów. Tetranukleotyd byłby dość prostą konstrukcją w porównaniu do białek, które były znane jako o wiele większe i bardziej złożone cząsteczki, i wydawało się niemożliwe, by informacja genetyczna była przechowywana w czymś tak nieskomplikowanym. Ze strony biologicznej było wiadomo, że chromosomy zawierają geny, jak również DNA. Jednakże gdy za pomocą mikroskopu obserwowano komórki podczas podziału, korzystając z barwników, które reagowały specyficznie z DNA, kolor znikał w trakcie tego procesu. To sugerowało, że DNA jest degradowane i resyntetyzowane w każdym cyklu komórkowym, co raczej nie było zgodne ze znaną długookresową stabilnością genów.

Chemiczna natura genu

Niektóre z najbardziej ekscytujących odkryć w dziedzinie nauk przyrodniczych to te, które identyfikują daną substancję jako odpowiedzialną za pewne zjawisko biologiczne. Do tej kategorii należą odkrycia funkcji hormonów, witamin i enzymów. Ale chyba żadne z nich nie było tak całkowicie zaskakujące jak odkrycie chemicznej natury genów. W końcu geny leżą w absolutnym centrum biologii. Patrząc na to z perspektywy czasu, droga do tego odkrycia może wydawać się boleśnie długa. Ale w epoce, w której miało ono miejsce, odkrycie czegokolwiek było niezwykle trudne, a geny nie stanowiły wyjątku. Przecież nie było żadnej gwarancji, że dowolna pojedyncza klasa substancji będzie tworzyć geny. Mogło się okazać, że geny składają się z wielu substancji złożonych i tym istotnym czynnikiem jest zorganizowanie wielkich kompleksów molekularnych. Mogło się też okazać, że nawet jeśli same geny mogą być analizowane pod kątem ich składu, to nie ma żadnej wskazówki co do ich faktycznego działania.

W każdym razie nie można zidentyfikować funkcji substancji bez pomiaru jej aktywności. W biochemii oznacza to, że trzeba mieć odpowiedni test biologiczny – procedurę, w której można wykazać i zmierzyć aktywność biologiczną. W 1930 r. wydawało się, że nie ma żadnego sposobu, by wprowadzić gen do organizmu muszki Drosophila lub pleśni Neurospora crassa w celu zmiany jego właściwości. Test biologiczny dla genów musiałby polegać na czymś znacznie prostszym.

Tak naprawdę to coś zostało już wtedy wymyślone przez Fredericka Griffitha pracującego w Laboratorium Patologii brytyjskiego Ministerstwa Zdrowia. Griffith badał bakterie Streptococcus pneumoniae, główną przyczynę zapalenia płuc u ludzi, a także wielu innych infekcji. Bakterie te występują w różnych formach. Formy „gładkie” mają śluzowate otoczki, które pozwalają im odpierać atak układu odpornościowego nosiciela, podczas gdy formy „szorstkie” takich otoczek nie posiadają. Dlatego też formy gładkie są bardziej patogenne.

Określenia „gładkie” i „szorstkie” w rzeczywistości odnoszą się do wyglądu kolonii bakterii hodowanych na płytkach z agarem. Kluczowym eksperymentem Griffitha, którego wyniki opublikowano w 1928 r., było badanie pokazujące, że gdy myszy zakażono bakteriami szorstkimi z dodatkiem zabitych cieplnie bakterii gładkich, zwierzęta te umierały, a z ich ciał można było odzyskać żywe, poprawnie mnożące się bakterie gładkie. Nie miało to miejsca przy zastosowaniu samych bakterii szorstkich lub też samych zabitych cieplnie bakterii gładkich. Griffith wywnioskował, że geny odpowiedzialne za powstawanie śluzowatych otoczek przeszły z martwych bakterii do żywych.

Badania te były kontynuowane przez laboratorium Oswalda Avery’ego i różnych współpracowników w Instytucie Badań Medycznych Rockefellera w Nowym Jorku. Ważnym krokiem naprzód było pokazanie, że taki sam efekt będzie miał miejsce w warunkach in vitro. Szorstkie bakterie poddane działaniu ekstraktów chemicznych z bakterii typu gładkiego rzeczywiście tworzyły kolonie form gładkich na płytkach z agarem, więc do zaistnienia tego zjawiska nie były konieczne zdrowe myszy, w których ciałach przebiegałyby złożone procesy związane z zakażeniem i działaniem układu odpornościowego. Na koniec ekstrakty gładkich bakterii w wysokim stopniu oczyszczono i wykazano, że są zgodne z kompozycją chemiczną DNA. Ponadto okazało się, że dezaktywizować mogą je specyficzne enzymy degradujące DNA, inne sposoby nie były skuteczne. W opublikowanej w 1944 r. pracy zbiorowej naukowcy z wielką ostrożnością interpretują wyniki swoich badań i tylko spekulują o powiązaniu „zasady transformującej” z genem.

W tamtym czasie badania te nie wywołały sensacji i były tylko umiarkowanie cytowane w innych pracach. Jednak płynące z nich wnioski zostały odnotowane przez dwie osoby, które miały odegrać doniosłą rolę w przyszłości. Byli to Francis Crick i James Watson, a publikacja Avery’ego przekonała ich, że DNA było naprawdę bardzo ważną rzeczą.