Znaczenie genetyki

ZNACZENIE GENETYKI

Znaczenie genetyki systematycznie rośnie
Człowiek już od bardzo dawna stosuje różnorodne, celowe zabiegi, zmierzające do uzyskania użytecznych, żywych organizmów lub produktów x nich pochodzących. Ogólnie działania takie określa się jako tzw. biotechnologię. W szerokim znaczeniu obejmuje więc ona zarówno selekcję prowadzona przez hodowców bydła, wykorzystanie drożdży do produkcji piwa, jak i bezpośrednie manipulacje materiałem genetycznym, czyli inżynierię genetyczną. Ta ostatnia należy do najgwałtowniej rozwijających się dziedzin nauki. Według niektórych prognoz jest to najbardziej przyszłościowy, ale też i najniebezpieczniejszy nurt ludzkiej działalności. Genetyka ma dzisiaj znaczenie:
A) Dla nauk podstawowych, np. wspiera nasze dociekania na temat ewolucji organizmów;
B) Dla nauk stosowanych;
a) rolnictwa i hodowli;
b) przemysłu farmaceutycznego i medycyny w leczeniu chorób nie tylko dziedzicznych.
Techniki wykorzystujące osiągnięcia inżynierii genetycznej są zdecydowanie najbardziej obiecujące i służyć mogą zarówno hodowcom, jak i lekarzom oraz farmaceutom. Dlatego też przedstawię je jako pierwsze.
INŻYNIERIA GENETYCZNA POLEGA NA BEZPOŚREDNIEJ INGERENCJI W DNA
Za pierwsze manipulacje materiałem genetycznym można uznać doświadczenia Griffitha i innych badaczy nad transformacją oraz transdukcją. Podstawową wadą takich technik jest ich ograniczony zasięg (niemożność stosowania w wypadku organizmów eukariotycznych) oraz niewielka skuteczność (wynikająca z biernego oczekiwania na losowo uzyskiwane efekty). Tymczasem „prawdziwa" inżynieria genetyczna daje możliwość znacznie bardziej kontrolowanego i bezpośredniego „operowania" DNA. Wyjaśnienie, na czym to „operowanie" polega, zacznijmy od przedstawienia zasadniczej strategii postępowania. Później zaś zajmiemy się różnymi ograniczeniami i bardziej konkretnymi przykładami. Przyjmijmy na początek, że dana manipulacja materiałem genetycznym dotyczy zwykle pojedynczego genu. trzeba więc: A) znaleźć go i wyizolować (względnie /syntetyzować de novo, np. w oparciu o znajomość sekwencji aminokwasów w białku); B) opracować skuteczny sposób przeniesienia tego genu do komórek biorcy; C) umieścić nowy gen w pożądanym rejonie DNA biorcy (jest to bardzo ważne w wypadku DNA zlokalizowanego w jądrze komórkowym).
GEN STANOWI W KOMÓRKACH ZNIKOMĄ CZĘŚĆ CAŁEGO GENOMU
Tak więc znalezienie pojedynczego genu zawsze będzie wymagało pofragmentowania DNA („pokawałkowania"). W wypadku manipulowania na poziomie molekularnym użycie do tego celu tradycyjnych narzędzi nic wchodzi w rachubę (nawet jeśli operowałby nimi sam mistrz MacGyver). Potrzebne tutaj będą znacznie subtelniejsze sposoby. Przede wszystkim powinny one umożliwiać cięcie DNA w określonych miejscach, a następnie toczenie odpowiednich fragmentów w jedną całość. Możliwości takie pojawiły się dopiero ok. 25 lat temu, gdy odkryto enzymy restrykcyjne (restryktazy). Są to endonuklcazy, które występują w komórkach bakteryjnych, chroniąc je przed wniknięciem obcego DNA (np. DNA wirusa). Enzymy restrykcyjne spełniają funkcje „inteligentnych, molekularnych nożyczek", rozpoznających i dokonujących cięć jedynie w obszarach DNA o specyficznej sekwencji zasad. Każdy enzym restrykcyjny rozpoznaje tylko jeden rodzaj obszarów o stałej długości i sekwencji zasad (zwykle ich długość wynosi od 4 do 8 par nukleotydów). Z naszego punktu widzenia najlepsze są enzymy restrykcyjne rozpoznające dłuższe odcinki, ponieważ ilość tych ostatnich w genomach jest zdecydowanie mniejsza (zastanów się. jakie ma to znaczenie). Ciekawą cechą większości obszarów restrykcyjnych jest ich palindromowy charakter (w lingwistyce palindrom oznacza wyraz albo zdanie, które czyta się jednakowo w sposób zwykły i wspak, np. KAJAK). Określenie ,,sekwencja palindromowa" bierze się stąd, że ułożenie nukleotydów jednej nici takiego odcinka jest takie samo jak drugiego, tylko odczytywanego w kierunku odwrotnym. Jeśli enzym restrykcyjny tnie DNA w każdym miejscu, które pasuje doń przestrzennie, to powstaje problem, jak spowodować, ażeby nie niszczył DNA swojego właściciela. Możliwe tu są dwa rozwiązania: A) nie „stosować" we własnym DNA takich sekwencji. Biorąc pod uwagę niewielką długość obszarów restrykcyjnych i ograniczenia wynikające z natury kodu genetycznego, nie jest to możliwe. Pozostaje więc drugie rozwiązanie: B) modyfikowanie chemiczne niektórych zasad we własnych wrażliwych odcinkach, tak że restryktazy nie będą ich rozpoznawać. Wymaga to posiadania odpowiednich enzymów, które komórki bakteryjne oczywiście posiadają. Skoro takich modyfikacji nie ma w DNA bakteriofagów, istnieje możliwość pocięcia informacji genetycznej „wroga" na mniejsze fragmenty, które zostaną później zdegradowane.
Enzymy restrykcyjne można podzielić następująco: 1. Enzymy zostawiające tzw. lepkie końce. Takie enzymy rozcinają obszar restrykcyjny, tworząc na obu powstałych końcach jednoniciowe, komplementarne odcinki, liczące kilka nukleotydów. Właściwość ta jest ważna, ponieważ jeśli podziałamy tą samą restryktazą na dwie różne cząsteczki DNA. to otrzymamy fragmenty, które będą miały identyczne, lepkie końce. Wówczas może dojść do powstania zrekombinowanego DNA, składającego się z fragmentów o różnym pochodzeniu. 2. Enzymy zostawiające tzw. tępe końce. Nie są przydatne do łączenia powstających fragmentów, ale doskonale nadają się do fragmentowania DNA w wybranych miejscach.
Pełne odtworzenie struktury dwuniciowej wymaga jeszcze stosowania ligaz, stąd proces łączenia różnych DNA nazywa się tutaj ogólnie ligacją.
LEPKIE KOŃCE UMOŻLIWIAJĄ NATURALNE ŁĄCZENIE SIĘ FRAGMENTÓW DNA RÓŻNYCH ORGANIZMÓW
Tak więc dysponując technikami wybiórczego fragmentowania i łączenia DNA, można wyizolować żądany gen i umieścić go w innej cząsteczce DNA. Dzisiaj znanych jest już kilkaset różnych restryktaz i od potowy lat dziewięćdziesiątych wiele z nich można po prostu kupić w firmach biotechnologicznych.
KLONOWANIE DNA MOŻNA PRZEPROWADZAĆ NA RÓŻNE SPOSOBY
W inżynierii genetycznej osiągnięcie sukcesu wymaga przeprowadzenia szeregu różnych doświadczeń pomocniczych oraz prób zasadniczych z użyciem wielu komórek. Niezbędne do tego jest dysponowanie wieloma kopiami danego genu, które uzyskuje się przez powielanie określonego odcinka w licznych identycznych kopiach. Przeprowadza się to dwojako: in vivo i in vitro*. 1. In vivo - przez klonowanie DNA, wprowadzając wyizolowany gen do żywej komórki, np. bakteryjnej. Ta ostatnia, dzieląc się szybko, daje ogromną liczbę komórek potomnych (zawierających interesujący nas gen). Procedury temu towarzyszące są w sumie dość czasochłonne i kosztowne. 2. In vitro przy wykorzystaniu tzw. techniki PCR (reakcji łańcuchowej polimerazy, od ang. polymerase chain reaction). Ta niesamowicie sprytna metoda pozwala na bardzo szybkie namnażanie określonego odcinka DNA w probówce. W dużym uproszczeniu technika PCR polega na: A) rozdzieleniu nici (denaturacji) interesującego nas fragmentu DNA w podwyższonej temperaturze: B) obniżeniu temperatury i dołączeniu do obu nici sztucznie zsyntetyzowanych starterów; C) dodaniu polimerazy DNA, która replikuje każdą z nici.
Cykl ten powtarza się w kotko, a jego skutkiem jest wykładniczy wzrost liczby cząsteczek DNA. Metoda PGR wymaga jednakże stosowania specjalnej polimerazy DNA, odpornej na działanie wysokich temperatur. Enzym ten pozyskuje się z bakterii Thermus aquaticus, żyjącej w gorących źródłach w temp. ok. 90 C. Poza tym niezbędne jest szybkie i precyzyjne regulowanie zmianami temperatury. Dzisiaj stosuje się już specjalne, sterowane mikroprocesorami urządzenia pozwalające w pełni zautomatyzować cały proces.
WPROWADZENIE GENU DO KOMÓRKI WYMAGA ZASTOSOWANIA ODPOWIEDNIEGO WEKTORA
Niezależnie od tego czy będziemy przeprowadzać klonowanie, czy też próbowali umieścić gen w komórce docelowej, niezbędne będzie połączenie go z wektorem. Wektor jest czymś w rodzaju opakowania umożliwiającego przenoszenie DNA z jednej komórki do drugiej. Rolę wektorów pełnią najczęściej plazmidy i bakteriofagi. 1. Plazmidy-jak zapewne pamiętasz, to małe, koliste cząsteczki DNA, które replikują się niezależnie od genomu gospodarza. Mogą też zawierać specyficzne geny umożliwiające wrekombinowanie wprowadzonego DNA do chromosomu gospodarza (ogólnie - biorcy). Przeniesienie plazmidów, np. między komórkami bakterii, można osiągnąć, osłabiając ich ściany komórkowe. 2. Bakteriofagi - szczególnie użyteczne są tutaj fagi, które integrują się z genomem gospodarza. Daje to. podobnie jak w wypadku niektórych plazmidów, możliwość przenoszenia DNA do genomu gospodarza.
UMIESZCZENIE GENU W POŻĄDANYM REJONIE NIE JEST TAKIE PROSTE
Jest to jeden z największych problemów, z jakim zetknęła się inżynieria genetyczna. Do dzisiaj bowiem nie opanowano techniki pozwalającej na umieszczanie genu w konkretnym miejscu. Prowadzi to często do efektów ubocznych, polegających na wyłączeniu innego genu (np. wstawienie nowego genu „w środek" innego). Na dzisiaj jedynym wyjściem jest więc wykonywanie wielu prób i selekcjonowanie tych komórek, które wykazują komplet pożądanych cech.
INŻYNIERIA GENETYCZNA ROZBUDZA NADZIEJE, ALE I OBAWY
Skuteczne stosowanie inżynierii genetycznej z korzyścią dla nas wszystkich wymaga rozwiązywania wielu problemów. l. Problemy wynikających z odmienności dawców, wektorów i (lub) biorców: A) Najwięcej problemów nastręcza odmienna organizacja materiału genetycznego Pro- i Eucaryotu. Przykładowo umieszczenie eukariotycznego genu w komórce E. coli nie da pożądanego efektu, ponieważ ta ostatnia nie ma enzymów umożliwiających wycinanie intronów i łączenie eksonów w jedną całość. Rozwiązaniem może być synteza sztucznego genu nie zawierającego sekwencji intronowych. B) Obecność ściany komórkowej u roślin jest jedną z przyczyn niemożności bezpośredniego zastosowania wektorów fagowych. Dlatego jako „transporter" służy bakteria Agrobacteriuim tumefaciens, wywołująca za pomocą specjalnego plazmidu oznaczonego jako Ti guzowatość korzeni i łodyg. Plazmid ten można „rozbroić," pozostawiając jednak możliwość wstawiania do chromosomu rośliny dodatkowego genu. Prawdziwy kłopot polega więc na tym, że opisywana bakteria atakuje wyłącznie rośliny dwuliścienne, a i to nic wszystkie. Tymczasem nas najbardziej interesuje możliwość tworzenia zmienionych genetycznie roślin jednoliściennych (głównie zbóż). Dlatego na całym świecie poszukuje się dobrego wektora właśnie dla takich roślin. Poza tym coraz powszechniej testowane są inne metody wprowadzania obcego DNA do komórek roślinnych, np. przy wykorzystaniu tzw. armatki genetycznej. W metodzie tej DNA nanosi się na mikroskopijne cząstki metalu, np. złota. Następnie wstrzeliwuje się je do komórek. Duża prędkość drobin umożliwia przebicie ściany komórkowej i trafienie w jądro komórkowe. Tam zaś część wprowadzonego DNA ulega dołączeniu do chromosomów. 2. Konieczność dysponowania odpowiednio opisanymi, licznymi kopiami wszystkich genów danego gatunku. Osiąga się to, tworząc biblioteki genomowe i biblioteki cDNA. a ostatnio także sekwencjonując całe genomy różnych organizmów (ogólnie rzecz biorąc zajmuje się tym nowa dziedzina wiedzy - genomika). A) Biblioteki (banki) genomowe, czyli zbiory kopii fragmentów DNA konkretnego gatunku połączone z cząsteczkami wektorów. Biblioteki genomowe zawierają więc cały DNA. W wypadku organizmu eukariotycznego fragmenty zawierają kompletne geny struktury (zarówno ich eksony, jak i introny), sekwencje kontrolne, a nawet satDNA. Ze względu na szereg cech unikatowych wymienionych sekwencji bezpośrednia przydatność banków genomowych do uzyskiwania nowych organizmów jest niewielka. Jedną z przyczyn tego stanu rzeczy może być np. możliwość dokonywania przez restryktazę cięć wewnątrz genu, co prowadzi do powstawania niefunkcjonalnych odcinków. B) Biblioteki cDNA. Aby uzyskać prawidłową ekspresję genu w zmienionych komórkach, często stosuje się zupełnie inne podejście do materiału genetycznego. Otóż do stworzenia banku genów wykorzystuje się mRNA danego organizmu. Poprzez odwrotną transkrypcję uzyskuje się jedno-, a następnie dwuniciową cząsteczkę tzw. cDNA (complementary ONA), który ostatecznie łączy się z wektorem i namnaża. Uzyskany sztucznie cDNA jest więc komplementarny do mRNA, ten zaś tylko do cksonów swojego macierzystego DNA. Wówczas wprowadzenie cDNA do komórki prokariotycznej daje spore szansę na prawidłową ekspresję (m.in. omijamy problemy wynikające ze specyfiki obróbki posttranskrypcyjnej u Eucaryota). Rozwiązanie tego rodzaju, oprócz niewątpliwych zalet, ma też pewne wady. Przede wszystkim problem stanowi pozyskanie właściwego mRNA, ponieważ w komórce eukariotycznej może znajdować się w jednym momencie nawet kilka tysięcy różnych cząsteczek tego związku. Poza tym uzyskanie prawidłowej ekspresji genu w innej komórce może wymagać wprowadzenia odpowiednich rejonów regulatorowych (promotorów i operatorów), a tego cDNA także nie zapewnia. Krótko mówiąc – ograniczeniem jest tu, że cDNA nie jest odbiciem całego DNA badanego gatunku.
C) Do 2000 r. poznaliśmy już całkowicie lub w znacznej mierze genomy takich organizmów eukariotycznych jak: mysz (Mus musculus; wg ostatnich doniesień jej genom jest prawie identyczny z genomem człowieka - ponad 99% zgodności), muszka owocowa (Drosophila melanogaster; około 50% z 13 tyś. genów kodujących białka wykazuje podobieństwo do genów ssaków), nicień (Caenorhabditis elegans; około 30% z 9 tyś. genów koduje biatka przypominające białka ssaków), czy zwykłe drożdże piekarnicze. Zaskakująco wysokie podobieństwo genomów wspomnianych organizmów z gcnomem człowieka powoduje, że doskonale nadają się one do badań jako organizmy modelowe.
W 2000 r. zarówno konsorcjum o nazwie Celera Genomics, jaki i The Human Genome Project ogłosiły, że wstępnie zsekwenejonowały genom człowieka. Samo poznanie naszego genom u jest jednakże dopiero wstępem. Prawdziwym wyzwaniem jest poznanie jakie znaczenie biologiczne mają poznane sekwencje. Wymaga to jednoczesnej analizy ogromnej liczby danych. W ten sposób narodziła się bioinformatyka (jej surowcem, czyli
danymi genetycznymi są m.in. właśnie sekwencje DNA). Dzięki bioinformatyce można porównać sekwencje DNA człowieka z DNA organizmów modelowych oraz przewidywać i porównywać zakodowane w tych genach białka (wymaga to m.in. przeszukiwania ogromnych baz danych). W oparciu o podobieństwa sekwencji DNA człowieka i organizmów modelowych można także tworzyć wirtualne modele białek i przewidywać z jakimi związkami chemicznymi będą selektywnie oddziaływać. W ten sposób można szybko i relatywnie tanio „znajdować" nowe leki (już dzisiaj mówi się o nowej dziedzinie - farmakogenomice. Oczekuje się także, że utworzone już bogate biblioteki genomowe, cDNA i białek organizmów modelowych oraz człowieka będą bardzo pomocne przy poznawaniu wpływu genów na takie elementy, jak np. długość życia, cukrzyca i transformacje nowotworowe. 3. Problemy wynikające z niewielkiej pojemności wektorów. Używane do przenoszenia DNA wektory plazmidowe mogą pomieścić dodatkowe odcinki DNA o długości do 10 000 par nukleotydów. Nieco lepiej przedstawia się sprawa z wektorami fagowymi, ponieważ mogą one przenosić DNA długości do 15 kb. Niestety, geny eukariotyczne często są większe. W tych wypadkach stosuje się np. mikroiniekcje jądra komórkowego (w uproszczeniu: „mikronaktucia") albo tzw. armatki genetyczne, a więc praktycznie bezpośrednie wprowadzanie DNA. 4. Problemy wynikające z używania cząstek infekcyjnych. Dlatego wykorzystywane do przenoszenia wektory muszą być trwale „rozbrojone". W końcu nikt nie chce, aby wirus używany jako wektor zrealizował swój program życiowy. Oczywiście stosowane w laboratoriach szczepy wektorów zostały genetycznie zmodyfikowane, tak że są zdolne do infekcji. Nie mają jednak żadnych możliwości zrealizowania swojego cyklu życiowego, ponieważ nie wytwarzają kilku kluczowych białek, np. wirusowej polimerazy DNA, białek blokujących DNA gospodarza itd. 5. Zmniejszenie ryzyka związanego z manipulacjami genetycznymi. Twory powstające w laboratoriach biotechnologicznych mogą być niebezpieczne dla człowieka lub innych organizmów. Dlatego: A) do uzyskiwania pożądanych substancji, np. insuliny, stosuje się szczepy bakteryjne zmodyfikowane genetycznie, tak że nie są zdolne do życia w warunkach naturalnych; B) bardzo dokładnie bada się wytwory inżynierii genetycznej, zanim zostaną wyprowadzone poza laboratoria, np. nowe odmiany roślin uprawnych; C) przepisy dotyczące budowy i warunków eksploatacji laboratoriów są niezwykle rygorystyczne; D) wprowadzono zakaz wykonywania pewnych badań, a inne wymagają szczególnego nadzoru.
Oczywiście nie można wykluczyć, że dojdzie do nieszczęśliwego wypadku. Jednak dzisiaj wiemy już, iż ryzyko takie jest stosunkowo niewielkie. Znacznie groźniejsze mogą się okazać zapędy niektórych polityków i wojskowych pragnących powiększyć swoją władzę. Powinniśmy jednak zdawać sobie sprawę, że całkowity zakaz prowadzenia manipulacji genetycznych niczego by tutaj nie zmienił, a wręcz przeciwnie. Ujmując ten problem całościowo, wydaje mi się, że nie zatrzymamy rozwoju inżynierii genetycznej. Niesie ona bowiem nadzieję dla wielu ludzi, a często może także umożliwić poprawę stanu środowiska naturalnego. Należy po prostu uczynić wszystko, aby powiększać korzyści,
jednocześnie minimalizując straty.
ZNACZENIE GENETYKI W ROLNICTWIE I HODOWLI ZWIERZĄT
Ilość konkretnych osiągnięć biotechnologii jest tak duża. że samo ich wymienienie
złożyłoby się na książkę o sporej objętości. Dlatego będziemy musieli poprzestać jedynie na kilku wybranych przykładach. l. Klonowanie organizmów (w tym także ssaków!). W lutym 1997 r. brytyjscy naukowcy z Edynburga ogłosili, że udało im się sklonować owcę, wykorzystując do tego celu komórki dorosłego zwierzęcia. Na razie z ok. 200 embrionów rozwinął się tylko jeden, a koszt całego przedsięwzięcia przekroczył milion dolarów, ale potencjalne skutki tego dokonania mogą być oszałamiająco pociągające i (lub) groźne! Było to bardzo ważne osiągnięcie, ponieważ zasadniczym celem klonowania jest zwiększenie liczby zwierząt, które produkowałyby białka ludzkie. Wkrótce potem Amerykanie donieśli o udanym sklonowaniu małp (ściślej - rezusów) w centrum badawczym w Oregonic. Jednak ci uczeni wykorzystali materiał komórkowy z embrionu we wczesnej fazie rozwojowej. Ogromne postępy dokonane przez biologów molekularnych i genetyków stawiają nam wyzwania, do których jako społeczeństwo nie jesteśmy jeszcze przygotowani. Dlatego musimy bardzo ostrożnie się odnosić do entuzjastów klonowania człowieka, ale też nic wolno
zaprzeczać sensowności samej idei powielania organizmów. Dodajmy też, że w styczniu 1998 r. kilkanaście państw podpisało konwencję zabraniającą klonowania człowieka. 2. Organizmy transgeniczne - tak nazwano organizmy wyższe, którym wprowadzono nowy, obcy gen. przekazywany następnym pokoleniom zgodnie z podstawowymi prawami dziedziczenia. Oto kilka w miarę aktualnych przykładów: A) Transgeniczna bawełna uzyskana w pracowniach jednej z amerykańskich firm biotechnologicznych produkuje włókna zawierające niewielka domieszkę poliestru (mniej więcej plastiku) zwiększającą termoizolacyjność tego materiału. Co prawda, daleko jeszcze do pełnego sukcesu komercyjnego, ale perspektywa roślin produkujących włókna syntetyczne nie jest już mrzonką. B) Transgeniczne pomidory o przedłużonej trwałości przechowywania sprzedaje się w USA od 1994 r. C) W USA na poletkach doświadczalnych testuje się transgeniczną odmianę tytoniu odporną na herbicydy, czyli środki chwastobójcze. D) Hoduje się transgeniczne ziemniaki produkujące albuminę typu HSA - białko odpowiedzialne za prawidłowe ciśnienie osmotyczne osocza naszej krwi. E) Prowadzi się badania nad przeniesieniem genów warunkujących możliwość wiązania wolnego azotu z bakterii do komórek roślin wyższych. F) Transgeniczne myszy i świnie wykorzystuje się w badaniach genetycznych. 3. Zmienione genetycznie bakterie i grzyby zdolne są do rozkładania wielu rodzajów zanieczyszczeń, m.in. siarką albo ropą naftową. Problem ich stosowania jest jednak bardzo skomplikowany (przykładowo - konsekwencje wydostania się spod kontroli bakterii rozkładających produkty naftowe byłyby niewyobrażalne). 4. Dla zwiększenia plenności roślin często stosuje się indukowanie poliploidalności poprzez smarowanie młodych siewek kolchicyną. Jest prawie pewne, że zarówno ziemniaki, które obierasz przed obiadem, jak i kwiatki hodowane przez Twoją mamę są odmianami poliploidalnymi. Nic możemy też zapomnieć, że na przykład niektóre zboża są międzygatunkowymi mieszańcami o zwielokrotnionej liczbie n. 5. Na koniec dodajmy jeszcze, że sekwencja nukleotydów matryc najmniejszych wirusów, takich jak np. φX174, porażenia dziecięcego czy też SV40, jest już całkowicie poznana, a w wypadku większych wirusów zostanie określona już wkrótce. Pozwoli to zapewne na pełne poznanie molekularnych podstaw ich programów „życiowych" i skuteczniejszą ochronę przed infekcjami wirusowymi.
Osiągnięcia genetyki to także praca wielu pokoleń hodowców
Analizując współczesne dokonania biotechnologii, nie powinniśmy zapominać o osiągnięciach. które zawdzięczamy pracy całych pokoleń cierpliwych hodowców zwierząt i rolników. Dysponowali oni minimalną częścią tej wiedzy, jaką mamy dzisiaj. Mimo to ci znakomici obserwatorzy przyrody dobrze rozumieli skuteczność selekcji dokonywanych w celu poprawienia wartości uprawianych roślin i hodowanych zwierząt. Między innymi dzięki temu możliwe stało się udomowienie wielu gatunków zwierząt, np. świni domowej (przodek: dzik), konia, krowy czy nawet psa. Mato kto zdaje też sobie sprawę, że rośliny uprawne również pochodzą od dzikich gatunków o znikomej wartości użytkowej. Prawdopodobnie w pierwszym etapie osobniki o cechach pożądanych wybierano jedynie z dzikich populacji. Kolejny etap nadszedł, gdy rozpoczęło świadomie oddzielać konkretne osobniki do dalszych krzyżówek (był to początek selekcji sztucznej). Pozwoliło to ograniczyć heterozygotyczność populacji hodowlanych i uzyskać cały szereg odmian o pożądanych cechach, np. krów o większej mleczności itd. Trzecim z umownych etapów było ograniczenie działań hodowlanych do niewielkiego procentu populacji. W ten sposób można było dokonywać dokładniejszej i skuteczniejszej selekcji, traktując uzyskane osobniki (odmiany) jako materiał rozrodczy. Współcześnie powstaje on w wyspecjalizowanych farmach, które sprzedają potomstwo hodowcom i rolnikom. Dzięki temu nie tracą oni czasu na zabiegi selekcyjne, a mimo to mają dostęp do profesjonalnie przygotowanych odmian i ras o wysokiej użyteczności. Jednym z celów zabiegów hodowlanych jest stworzenie odmian maksymalnie homozygotycznych. ponieważ: A) ich potomstwo jest bardziej jednorodne; B) selekcjonowaniu czasem ulegają cechy determinowane przez allele recesywne, bądź takie, które nie wykazują dominacji zupełnej.
Dla szybkiego osiągnięcia tego celu - u roślin przez kilka pokoleń stosuje się samozapylenie. natomiast u zwierząt kojarzenie osobników blisko spokrewnionych - chów wsobny. Wygląda więc na to. że osiągnięcie homozygotyczności jest idealnym rozwiązaniem, tymczasem w wielu wypadkach kolejne pokolenia „wsobne" są coraz mniej żywotne i plenne. Najczęstszą przyczyną jest występowanie niekorzystnych, rccesywnych genów, które w dzikich populacjach ujawniają się bardzo rzadko. Siedemdziesiąt lat temu wydawało się, że sytuacja stała się patowa i selekcja sztuczna wprowadziła hodowców i rolników w ślepą uliczkę. Jakież więc było zdziwienie amerykańskich badaczy, gdy na początku lat dwudziestych naszego stulecia krzyżowali ze sobą różne, dość rachityczne linie czyste kukurydzy. Potomstwo (F1) części takich krzyżówek wyrosło bowiem niezwykle bujnie, wyraźnie przewyższając plennością wszystkie znane wówczas odmiany, tak dzikie jak i hodowane.
Wybujałość mieszańców nazwano heterozją
Przyczyną tego dość niespodziewanego sukcesu najprawdopodobniej był wysoki poziom heterozygotyczności mieszańców, co miałoby maskować obecność niekorzystnych alleli o charakterze recesywnym. Być może rzeczywiście tak jest, jednak molekularne podłoże przewagi heterozygot nad homozygotami nie zostało do dzisiaj w pełni poznane. Na koniec dodajmy jeszcze, że heterozję stwierdza się także u zwierząt, np. bydła albo świni.

BEZPOŚREDNIE ZNACZENIE GENETYKI DLA CZŁOWIEKA
Próby wprowadzenia terapii genowych są dość zaawansowane
Inżynieria genetyczna wyzwoliła ogromne nadzieje tych wszystkich, którzy są dotknięci lub zagrożeni anomaliami genetycznymi. Pomimo oporów etyczno-moralnych związanych z ingerencją w materiał genetyczny człowieka wydaje się, że tzw. terapie genowe mają ogromną przyszłość. Działania takie miałyby polegać m.in. na: 1. Podstawieniu (substytucji) alleli „uszkodzonych" prawidłowymi. 2. Korekcjach, czyli „naprawach uszkodzonych" genów. 3. Wprowadzaniu na przykład drogą transdukcji normalnego genu do zmutowanej komórki. W tym wypadku problem tkwi także w tym, iż wówczas w jednej komórce funkcjonują dwa geny. Efekty ich jednoczesnego działania trudno zaś przewidzieć.
Problemów natury technicznej jest mnóstwo. Przede wszystkim jednak trzeba rozwiązać kwestię docierania z terapią genową do jak największej liczby określonych komórek ciała oraz precyzyjnego wstawiania genów we właściwe miejsca chromosomów. Jak wiadomo, niewłaściwa insercja może spowodować unieczynnienie innego genu i pojawienie się szeregu negatywnych skutków. Z wielu przykładów wspierania przez współczesną genetykę naszych starań o poprawę zdrowia wymieńmy tylko kilka: 1. Zmienione genetycznie mikroorganizmy syntetyzują różne substancje chemiczne: A) drożdże produkują szczepionki przeciw wirusowemu zapaleniu wątroby typu B; prowadzi się też badania nad wykorzystaniem bakterii lub drożdży do syntezy szczepionek chroniących przed AIDS; B) ludzka insulina produkowana jest na skalę przemysłową przez odpowiednio zmienione szczepy E. coli (inne produkują ludzki hormon wzrostu); C) zmodyfikowane szczepy E. coli wykorzystuje się już do syntezy całego szeregu leków, np. przeciwzakrzepowych. 2. Użycie tzw. sond molekularnych pozwala wcześnie wykryć szereg chorób dziedzicznych (testy genetyczne). Sondą jest zwykle odpowiedni odcinek cDNA wyznakowany radioaktywnie. W badaniu takim wykorzystuje się zdolność sondy do hybrydyzacji z określoną sekwencją testowanego DNA (mieszańcowe DNA można wykryć metodami radiograficznymi). Według National Institutes of Health w połowie 2000 r. w USA wykorzystywano już kilkaset testów genetycznych. Przykładem mogą być testy na obecność zmienionych genów odpowiadających za fenyloketonurię, anemię sierpowatą, chorobą Huntingtona, czy też obecność zmutowanych genów BRCA. W tym ostatnim przypadku nie wiemy jednak na ile geny te zwiększają ryzyko zachorowania na raka piersi lub jajników. 3. Organizmy transgeniczne mogłyby „produkować" ludzkie organy niezbędne do przeszczepów. Przeprowadzono już tego rodzaju eksperymenty z transgenicznymi świniami. Wyniki są obiecujące, chociaż jest to dopiero wstępny etap badań. 4. Upowszechnienie terapii genowych - co byłoby niewątpliwie największym osiągnięciem. Przykładowo - duże nadzieje wiąże się z leczeniem mukowiscydozy za pomocą inhalacji zawierających wektory wirusowe. W tych ostatnich przenoszone są prawidłowe geny kodujące białko, aktywujące kanały chlorkowe w komórkach pacjenta. 5. Transkryptomika jest dziedziną, która wykorzystuje do określenia miejsca i czasu aktywności konkretnych genów (ideałem jest powstanie naszego transkryptomu - ogółu cząsteczek mRNA wyprodukowanych przez ludzkie komórki). Do rozpoznawania sekwencji mRNA wykorzystuje się najczęściej jego zdolność do hybrydyzacji z cDNA. W ten sposób można na przykład określić aktywność określonych genów w komórkach rakowych. Z kolei proteomika zajmuje się identyfikacją i określaniem właściwości białek kodowanych przez konkretne geny (ideałem jest tu określenie ludzkiego proteomu - zbioru wszystkich białek produkowanych przez ludzkie komórki). Poznanie sposobu wytwarzania i właściwości białek pozwala na szybkie opracowanie nowych generacji leków, np. wiążących białko produkowane przez komórki nowotworowe albo blokujących określone geny.
Osobnym problemem są koszty nowoczesnych testów diagnostycznych i terapii. Ze względu na wysoką cenę są one po prostu niedostępne dla przeciętnego mieszkańca Unii Europejskiej i USA, nie mówiąc już o przedstawicielach biedniejszych państw. Pojawiające się dzisiaj lawinowo nowe możliwości, szczególnie diagnostyczne budzą także poważne wątpliwości natury etycznej i prawnej. Na przykład w lutym 2000 r. ówczesny prezydent USA B. Clinton podpisał rozporządzenie zakazujące instytucjom federalnym wykorzystywania informacji genetycznych o pracownikach (m.in. przy zatrudnianiu, awansowaniu i zwalnianiu). Mimo to wiele firm prywatnych, w tym ubezpieczeniowych próbuje zdobyć te dane i w odpowiedni sposób przetworzyć.