Genom człowieka

1.Projekt genomu człowieka
2.Naukowcy i ich odkrycia
3.Genom człowieka odczytany
4.Geny a choroby mózgu
5.Mutacje genomowe i czynniki mutagenne
6.Badania nad żywieniem
7.Genomika

1.Co to jest „projekt genomu człowieka” oraz gdzie można zapoznać się z wynikami tych prac?
Międzynarodowy projekt badawczy „Genom człowieka” (Human Genom Project, HGP) został opracowany dla realizacji trzech podstawowych celów:
– stworzenia mapy genomu dla określenia relatywnej pozycji poszczególnych genów,
– opracowania fizycznej mapy pozycji genów,
– oznaczenia sekwencji zasad w genomie.
W 1989 r. została założona międzynarodowa organizacja Human Genome Organisation (HUGO) dla koordynacji bardzo szerokiej współpracy międzynarodowej w tym zakresie. Dane eksperymentalne pozyskiwane w ramach HUGO są zawarte w wielu bazach danych, np. mapowanie genów w Genome Database, dane sekwencyjne DNA w US Genbank i w European Molecular Biology Laboratory.
W lutym 2001 r. naukowcy skupieni wokół Human Genome Project oraz Celera Genomics ogłosili, że kod genetyczny człowieka składa się tylko z ok. 30 tys. genów. Stwierdzono również, że tyle samo w przybliżeniu genów ma szympans, a mysz zaledwie o 300 genów mniej. Genom człowieka zawarty jest w 23 parach chromosomów z cechami dziedzicznymi rodziców, które znajdują się w jądrach wszystkich komórek ludzkiego ciała.
Wpływ genów na zdrowie, zdolności i umiejętności człowieka nie jest jednak tak duży, jak wcześniej sądzili naukowcy. Ponadto kod genetyczny różnych ras człowieka jest prawie taki sam. Na takie stwierdzenie pozwoliło rozszyfrowanie DNA przedstawicieli rasy białej, Afroamerykanów, Chińczyków i Latynosów, w wyniku którego stwierdzono, że wszyscy mają aż 99,99% wspólnych genów.
W genach zapisana jest struktura i właściwości wszystkich białek. To właśnie od ich budowy i funkcjonowania zależy życie człowieka. Teraz uwaga naukowców została skupiona głównie na badaniach, których celem jest zdobycie całej wiedzy o funkcji i budowie białek (proteomika).
Wyniki badań opublikowanych w 2000 r. zostały podważone przez innych naukowców, którzy twierdzą (sierpień 2001 r.), że w przeprowadzonych badaniach pominięto co najmniej połowę genów człowieka. Niektórzy przedstawiciele prywatnych amerykańskich firm biotechnologicznych twierdzą, że ludzki DNA może zawierać nawet 140 tys. genów! Jedno jest pewne. Dalsze badania w tej materii są niezbędne.
Pomimo wątpliwości, poznanie genomu człowieka należy uznać za kolejne wielkie osiągnięcie inżynierii genetycznej. Stwarza to nowe możliwości, np. w medycynie, kiedy to powszechnie będzie można stosować terapie genowe dla leczenia nieuleczalnych chorób36

Projekt poznania ludzkiego genomu
Projekt poznania ludzkiego genomu (eng. Human Genome Project) był to program naukowy mający na celu poznanie sekwencji wszystkich par komplementarnych tworzących ludzki genom, zawierający ok 30 tys. genów.

Historia projektu

Początkiem Projektu ludzkiego genomu była podjęta w roku 1990 przez Departament Energii USA (en. United States Department of Energy) oraz Narodowy Instytut Zdrowia USA (en. U.S. National Institutes of Health) decyzja o przydzieleniu na ten cel 3 mld dolarów. Decyzji zakładała, że w ciągu 15 lat (do roku 2005) uda się poznać ludzki genom. Jednak decyzja władz USA wywołała szeroki oddźwięk na świecie. Do projektu włączyło się wiele krajów. Jednocześnie nastąpił znaczy postęp w technice automatycznego sekwencjonowania DNA. W efekcie wstępny opis genomu człowieka opublikowano już w roku 2000. Dnia 26 stycznia prezydent USA Bill Clinton oraz premier Wielkiej Brytanii Tony Blair ogłosili ten fakt na wspólnej konferencji prasowej.

Do projektu należały następujące państwa:
Chiny
Francja
Niemcy
Japonia
Wielka Brytania
USA
Dnia 14 kwietnia roku 2003 opublikowano dokument stwierdzający zakończenie sekwencjonowania 99% genomu z trafnością 99,99%.
Do tak szybkiego zakończenia projektu przyczynił się udział prywatnej korporacji Celera Genomics. Firma ta opracowała technikę sekwencjonowania nazywaną shotgun sequencing. Sprowadzała się ona do szatkowania całego DNA na drobne fragmenty i analizowania ich zawartości. Program komputerowy zbierał uzyskane kombinacje par komplementarnych w swojej pamięci. Dzięki wyszukiwaniu podobieństw możliwe stało się ponowne uporządkowanie pociętych genów w całość. Jednak w odróżnieniu od organizacji rządowych Celera Genomics postanowiła zablokować dostęp do odkrytych przez siebie sekwencji korzystając z prawa patentowego.
Konkurencja pomiędzy naukowcami z żyłką do interesów oraz tymi finansowanymi z budżetu doprowadziła do ciekawej sytuacji. Naukowcy umówili się, że opublikują dane w lutym 2001 roku, ale w różnych czasopismach naukowych. Badacze z instytucji rządowych umieścili swój artykuł w Nature, a ci z Celera Genomics w Science. Okazało się, że naukowcy poznali 90% genomu. Co ciekawsze praca obu zespół raczej się uzupełniała niż dublowała. Wynikało to, z innych technik badawczych.
Projekt ludzkiego genomu był jednym z międzynarodowych programów badań genetycznych. Ważne okazało się poznanie genomów innych interesujących organizmów (np. bakterii coli, myszy, muszki owocówki czy ryżu, albo nicieni).Wiele z tych egzotycznych organizmów było ważne jako modele oddziaływaniamiędzy sobą genów w istotach żywych.

Postawione cele

Celem badania ludzkiego genomu było nie tylko poznanie miliardów par komplementarnych składająych się na nasze DNA z minimalnym prawdopodobieństwem błędu. Chodziło również o identyfikację funkcjonalnych genów zawartych w tym morzu informacji. Proces ten jak dotąd się nie zakończył. Jednak już rozpracowane dane zaskoczyły naukowców. Okazało się, że genom człowieka opisuje zaledwie 30 tys genów kodujących białka. Reszta genomu koduje nie białka lecz wytwarzane na podstawie DNA cząsteczki RNA. Najnowsze badania biochemiczne wykazały, że już samo RNA jest w stanie przeprowadzać, szereg reakcji chemicznych w komórce. Dodatkowo zauważono zjawisko blokowania ekspresji niektórych genów przez ich komplementarne kopie w innym miejscu genomu. Obraz jaki wyłonił się z projektu ludzkiego genomu skłania badaczy do wielkiej powściągliwości w głoszeniu triumfu nauki nad naturą. DNA bardziej przypomina bardzo złożony program komputerowy niż zestaw przepisów na różnie białka. Jego "hackowanie" może zająć nauce całe dziesięciolecia.

Korzyści

Praca nad zastosowaniem wiedzy o genomie w medycynie dopiero się rozpoczęła. Jednak już teraz niektórzy naukowcy próbują zastosować uzyskane w projekcie informacje w rozwoju biotechnologii i medycyny.
Nie mniej ważny był sam rozwój technik badania DNA. Dzięki projektowi ludzkiego genomu nastąpił postęp w badaniu nukleotydów zawartych w żywych organizmach. Dziś poznanie genomu grożącego pandemią zarazka nie zajmuje już lata tylko tygodnie albo miesiące. Obecnie sekwencja ludzkiego DNA jest zapisana w bazie dostępnej w Internecie. Rozwinięto oprogramowanie, które pozwala na znalezienie jakiego sensu w genetycznej informacji. Dziedzina informatyki zajmująca się analizą DNA to bioinformatyka.
Przełomowym wynalazkiem związanych z projektem ludzkiego genomu są chipy DNA. Na układ półprzewodnikowy nanosi się tysiące fragmentów kwasu dezoksyrybonukleinowego. Jeżeli w badanej próbce znajdzie się kawałek DNA komplementarny do jednego z tych fragmentów, to odpowiadające mu pole na chipie zostanie aktywowane. W efekcie możliwe staje się błyskawiczne określenie poziomu ekspresji zawartych w próbce genów. Ekspresja wiąże się bezpośrednio ze stanem żywego organizmu, z którego pobrano DNA. Oczywistym zastosowaniem może być tutaj diagnostyka medyczna oraz dalszy rozwój badań genetycznych.
Porównywanie genomu różnych istot żywych daje też ogromne korzyści biologii ewolucyjnej. Zgodnie ze współczesnymi teoriami to gen jest przedmiotem ewolucji, a nie poszczególne osobniki. Badanie historii poszczególnych genów zawartych w żywych organizmach pozwala na prześledzenie ich drogi ewolucyjnej. Przykładem może być tutaj porównanie ilości genów ssaków i płazów. Okazuje się, że stałocieplność wiąże się ze zmniejszeniem ilości genów, ponieważ wszystkie reakcje chemiczne zachodzą w stałej temperaturze. Genom nie musi w takiej sytuacji zawierać różnych wariantów enzymów działających w szerokim zakresie temperatur

2. Prawie wszystkie osiągnięcia genetyki są bardzo świeżej daty. Dopiero w czasie II wojny światowej wysunięto przypuszczenie, że DNA jest substancją odpowiedzialną za przekazywanie informacji genetycznych

Poznanie jej struktury uznawane jest dotąd za największe z osiągnięć naukowych XX wieku. Dokonało tego w 1953 r. dwóch mało wtedy znanych naukowców - Amerykanin James Watson i Anglik Francis Crick. Dziewięć lat później uhonorowano ich za to Noblem.

Kod DNA

Nasze ciało zbudowane jest z około 600 miliardów komórek. Każda zawiera przeciętnie kilka tysięcy białek, w tym wiele enzymów. Wszystkim tym zarządza informacja ukryta w drobnych włókienkach, w długich, cienkich drobinach DNA (kwasu deoksyrybonukleinowego). Geny mieszczą się na chromosomach. Chromosom znaczy dosłownie "ciałko barwiące się" i istotnie, chromosomy po zastosowaniu odpowiednich barwników stają się dobrze widoczne na tle innych składników jądra komórkowego. Ich obserwacja wymaga jednak mikroskopu - najcieńsze z nich są grubości od 100 do 200 nanometrów (1 nanometr = 0,000 001 milimetra). Większość ma od 100 tys. do 10 mln atomów.

Całe DNA zawarte w jądrze ludzkiej komórki (czyli ludzki genom) ma półtora metra długości.

Ogólna sekwencja zdarzeń prowadzących od pojedynczej komórki do całego organizmu była znana na długo, nim poznano kod genetyczny. Cząsteczka DNA, pomimo swej znacznej długości i niewiarygodnego bogactwa kodowanych informacji, składa się zaledwie z czterech rodzajów zasad - adeniny, guaniny, cytozyny i tyminy - częściej podpisywanych tylko pierwszymi literami - A, G, C i T. Jak za pomocą czterech elementów zapisać 20 różnych aminokwasów - cegiełek budujących białka? Proste: trzeba każdemu z aminokwasów przyporządkować trzy zasady - AAA, AAG, AGA, GAA, AAC i tak dalej. Liczba aminokwasów i tak nie wyczerpuje wszystkich 64 możliwych kombinacji.

Fenyloalanina była pierwszym aminokwasem, której przyporządkowano właściwą trójkę, a stało się to w 1961 r. Cztery lata później znane już były nukleotydy, czyli sekwencje trójkowe wszystkich aminokwasów. Wkrótce też odkryto genetyczne znaki przestankowe, czyli sygnały decydujące, kiedy ma zostać rozpoczęta i zakończona produkcja białka.

Chromosomy

O ile nosicielem informacji genetycznej jest DNA, o tyle nosicielem genów są chromosomy.

W 1956 roku po raz pierwszy policzono chromosomy człowieka. Towarzyszyło temu wielkie poruszenie wśród naukowców. Dlaczego? Bo wcześniej przez 30 lat pisano, że mamy ich 48. Kiedy H. Tjio i A. Levan donieśli, że jest ich zaledwie 46, nikt im początkowo nie wierzył. Dlaczego najbliższe nam ewolucyjnie małpy mają ich o dwa więcej? Naukowcy zdumieli się, gdy przeliczyli chromosomy innych zwierząt. I tak niektóre węże mają ich 54, a kury nawet 78. Stwierdzenie, że liczba chromosomów odpowiada pozycji w drabinie ewolucyjnego rozwoju lub oddaje stopień komplikacji organizmu, byłoby kuszące, jednak zbyt duża liczba wyjątków nie pozwala uczynić z niego zasady.

W 1959 r. uczeni z Edynburga jako pierwsi przekonali się, czym grozi niewielki choćby nadmiar lub niedobór chromosomów. P. Jacobs i J. Strong opisali wyniki badań nad komórkami mężczyzny cierpiącego na zespół Klinefeltera (małe jądra, brak zarostu, obniżona płodność, powiększone piersi). Doliczyli się 47 chromosomów; dodatkowy chromosom (to chromosom płciowy X, chorych opisuje się więc jako XXY) spowodował "wymieszanie" obu płci w okresie rozwoju. Ich odkrycie pozwoliło później wyjaśnić przyczynę zespołu Turnera nękającego dla odmiany wyłącznie kobiety (drobne macice, niski wzrost, częsty brak jajników). Okazało się, że każda ich komórka zawiera tylko 45 chromosomów (brak jednego "iksa", czyli X0).

Gen

Najbardziej użytecznym, a zarazem nadużywanym przez media terminem w całej nauce o dziedziczeniu jest słowo "gen" - pisze Anthony Smith w książce "Ciało".

Istnienie genu wykazał 140 lat temu Grzegorz Mendel, katecheta z Moraw, choć sam termin powstał później. W 1910 roku wprowadzono go na określenie abstrakcyjnej jednostki dziedziczenia, odpowiedzialnej za pojedynczą cechę danego gatunku. Z czasem okazało się, że ponad 4 tys. nękających ludzi chorób spowodowanych jest wadą w pojedynczym genie leżącym w którejś z 23 par chromosomów. Wszystkie inne choroby, poza zakaźnymi i urazami ciała, też mają podłoże genetyczne, tylko że do zachorowania przyczynia się kilka(naście) genów - rak, cukrzyca, nadciśnienie itp., itd. Naukowcy zrozumieli, że poznanie funkcji naszych genów może zrewolucjonizować medycynę. Będziemy mogli wady genetyczne korygować lekami albo wręcz wymienić całe "chore" geny na zdrowe.

Dziesięć lat temu rozpoczął się Human Genome Project (HGP) - gigantyczny program biologiczny porównywalny pod względem kosztów i technologicznego rozmachu jedynie z wysłaniem astronautów na Księżyc. Pierwszy jego etap zakłada zlokalizowanie wszystkich ludzkich genów, w drugim zaś bada się ich funkcje.

W kwietniu 2000 r. naukowcy ogłosili, że udało im się poznać - litera po literze - zapis zawarty w całym DNA pojedynczego człowieka, zaś pod koniec czerwca zapewniali, że są bliscy zakończenia pierwszego etapu projektu poznania wszystkich naszych genów.

Planowane na 2003 rok zakończenie programu powinno zaowocować pojawieniem się nowych leków na cukrzycę, nadciśnienie, schizofrenię i inne choroby o podłożu genetycznym.

Droga do poznania ludzkiego DNA
* 1953 - James Watson i Francis Crick odkrywają strukturę DNA
* 1957 - potwierdzenie "dogmatu" biologii molekularnej: informacja z DNA przechodzi do RNA, a stamtąd do białek
* 1966 - złamanie kodu genetycznego: każda trójka zasad RNA koduje jeden aminokwas - cegiełkę, z których zbudowane są wszystkie tworzące organizm białka
* 1983 - rozpoczyna się poszukiwanie genów odpowiedzialnych za dziedziczne choroby, takie jak np. mukowiscydoza czy pląsawica Huntingtona


Program poznania genomu człowieka
* 1985 - pierwsze spotkania na temat opracowania szczegółowej mapy ludzkich genów
* 1990 - oficjalny start obliczonego na 15 lat i mającego kosztować 3 mld dolarów programu Human Genome Project (HGP)
* 1992 - Amerykanin Craig Venter zastosował metodę "wyławiania" istotnych informacji ze stosów genetycznego "śmiecia" stanowiącego ok. 95 proc. naszego genomu
* 1995 - rozpoczyna się rozszyfrowywanie ludzkiego genomu - zakończenie prac zaplanowano na rok 2005
* 1998 - Venter zostaje dyrektorem Celera Genomics w Rockville w stanie Maryland, prywatnej firmy badającej genom człowieka. Wbrew opiniom najlepszych ekspertów Celera zaczęła odczytywać genom inną metodą, która okazała się znacznie szybsza i przybliżyła termin pełnego odczytania "księgi życia" o całe dwa lata
* 02.12.1999 - ustalenie zawartości pierwszego ludzkiego chromosomu
* 11.01.2000 - Celera ogłasza, że rozpracowała już ponad 90 proc. zapisu ludzkiego DNA
* 06.04.2000 - Celera zsekwencjonowała pełny zapis genetyczny jednej, anonimowej osoby
* 15.06.2000 - opublikowanie pierwszej roboczej wersji pełnego ludzkiego genomu
* 11.02.2001 - odczytanie prawie pełnego zapisu genetycznego człowieka
* 2003 - planowana data zakończenia prac nad ludzkim genomem w ramach Human Genome Project

3.Genom człowieka odczytany!
26 czerwca 2000 roku 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 zsekwencjonowane 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. Jednak obecnie dysponujemy tylko przedmową do instrukcji obsługi człowieka, która jeszcze nie została napisana przez genetyków. Minie jeszcze wiele lat, zanim bezcenne informacje dotyczące sekwencji ludzkiego DNA zostaną wykorzystane w jakikolwiek praktyczny sposób. Dlaczego?
Przede wszystkim dlatego, że w tej chwili nie da się łatwo odróżnić wszystkich genów ukrytych w naszym genomie od tych fragmentów DNA, które nic nie kodują i nie wpływają bezpośrednio na życie komórek. Kolejny etap badań nad ludzkim materiałem genetycznym będzie polegał właśnie na wyławianiu ważnych genów z morza niekodujących sekwencji DNA (a geny zajmują tylko kilka procent naszego materiału genetycznego). Poszukiwanie genów w niezwykle długich cząsteczkach DNA jest bardzo trudne, ale konieczne - sama sekwencja genomu ludzkiego nie ma dużego znaczenia dla naukowców i lekarzy, jeśli nie wiadomo, które jej fragmenty są genami i w jaki sposób te geny działają.
Wskazanie lokalizacji poszczególnych genów w genomie człowieka i rozszyfrowanie roli tych genów w procesach życiowych komórki może być jeszcze trudniejszym zadaniem niż odczytanie sekwencji ludzkiego DNA i na pewno potrwa przynajmniej kilka lat. Jednocześnie genetycy spróbują stworzyć szybsze metody analizy dużych grup ludzkich genów, na przykład udoskonalając płytki genowe. Dopiero wtedy wiadomości uzyskane podczas badań nad genomem człowieka nabiorą praktycznego znaczenia.
Może w przyszłości lekarze będą mogli szybciej i sprawniej rozpoznawać wiele chorób? Może zbadanie zestawu genów człowieka pozwoli określić jego skłonności do niektórych schorzeń i wcześniej zapobiegać tym chorobom, na które dana osoba jest najbardziej narażona? Może na podstawie badań DNA uda się dobierać leki szczególnie silnie działajace na pacjentów wyposażonych w pewne zestawy genów? Może nosiciele niekorzystnych genów będą musieli poddawać się przymusowej sterylizacji, żeby skłonności do chorób dziedzicznych nie rozprzestrzeniały się w populacji ludzkiej? Może dzięki badaniom nad ludzkim genomem uda się stworzyć skuteczniejszą broń biologiczną? Hm... Sposób wykorzystania nowo zdobytej wiedzy zawsze zależy tylko od człowieka, który tą wiedzą dysponuje. Zobaczymy, co przyniesie przyszłość...


4.Geny a choroby mózgu”

Nośnikiem informacji genetycznej jest kwas deoksyrybonukleinowy, DNA, który składa się ze szkieletu cukrowo-fosforanowego i zasad azotowych. Diploidalny genom człowieka to 3 miliardy par zasad. Specyficzny sposób kondensacji umożliwia „upakowanie” ok. 2 m dwuniciowego DNA do wielkości 23 par chromosomów w każdej komórce. Obecnie wiadomo, że człowiek dysponuje zestawem 30-40 tysięcy genów kodujących białka. Wszystkie jądrzaste komórki danego osobnika mają identyczny genom, ale w danym momencie w komórce jedynie część genów ulega ekspresji czyli „przepisywania” na białka. Ok. 80% wszystkich genów ulega ekspresji jedynie w określonym czasie i określonych komórkach, pozostałe 20% to tzw. geny metabolizmu komórkowego. Jednakże szacuje się, że w mózgu człowieka ekspresji ulega ponad połowa wszystkich genów.
Ogromny postęp metodyczny, jaki dokonał się w ostatnich latach dzięki międzynarodowemu projektowi badawczemu Genom Człowieka, pozwala co prawda na poszukiwanie wad w genach na podstawie analizy DNA pochodzącego z limfocytów uzyskanych z 10 ml krwi obwodowej, jednak dalej są to badania żmudne i kosztowne.
Pierwszą chorobą mózgu, dla której jeszcze w latach 80-tych zidentyfikowano podłoże genetyczne, była pląsawica Huntingtona. Badania te trwały wtedy 10 lat i kosztowały ok. 100 mln dolarów. Chorobę tę warunkuje defekt w pojedynczym genie. Jednak inne choroby mózgu wydają się być wynikiem skomplikowanych oddziaływań wielu genów i same w sobie stanowią złożony problem diagnostyczny i badawczy. Mimo tych trudności identyfikuje się obecnie geny mogące warunkować wystąpienie takich schorzeń neurologicznych jak choroba Parkinsona czy choroba Alzheimera oraz schorzeń psychiatrycznych jak depresje czy schizofrenia. Wraz z identyfikacją tych „wadliwych” genów prowadzi się także badania nad możliwościami ich „naprawy” lub „wyłączania” czyli tzw. terapii genowej. Badania te są na razie w fazie eksperymentalnej.


5.Mutacje genomowe i czynniki mutagenne

Mutacje są to zmiany dziedziczne powstające nagle, skokowo w skutek zmiany genu w nowy jego allel (mutacje genowe – punktowe) lub zmiany struktury lub liczby chromosomów (aberracje chromosomowe i liczbowe). Mutacje genomowe zmieniają właściwą (euploidalną) liczbę chromosomów; są skutkiem zaburzeń w rozchodzeniu się chromosomów homologicznych w czasie mejozy lub zwielokrotnienia całego garnituru chromosomalnego. Mutacje mogą powstawać samoistnie lub pod wpływem czynników mutagennych, czyli mogą być wywoływane przez człowieka – indukowane. Mogą przejawiać się efektami fenotypowymi dużymi lub nieznacznymi. Termin mutacje został wprowadzony przez de Vriesa w 1909 roku, który prowadził badania na wiesiołku Lamarka – Oenothera lamarkiana.

Czynniki mutagenne:
- promieniowanie jonizujące oraz nadfioletowe
- czynniki chemiczne wpływające na DNA lub proces replikacji DNA
- kwas azotowy III – HNO2, który powoduje dezaminację (usuwa grupy NH2) zasad azotowych co prowadzi do zmiany zasad cytozyny na uracyl, itp.
- związki alkilujące (związki mające grupy alikilowe) np. pochodne iperytu
- analogi zasad np. 5 bromouracyl analog tyminy
- barwniki akrydynowe np. proflawina, akryflawina, oranż akrylowy, których działanie polega na deformacji helisy – powodując delecje lub insercje
- alkaloidy – kolchicyna prowadzące do poliploidalności
- czynniki metaboliczne np. deficyt jonów Ca i Mg
- wysoka temperatura
- sole met. Ciężki

Mutacje liczbowe – aberracje liczbowe:

Liczba chromosomów w komórkach somatycznych wynosi 2n – diploidalna – jest to liczba stała i charakterystyczna dla danego gatunku. W gametach liczba chromosomów wynosi 1n – haploidalna. Zmiany dotyczące liczby chromosomów to mutacje liczbowe.

1. aneuploidy – organizmy o strukturze genomu w postaci 2n-1 nonosomiki lub 2n+1 trisomiki; mutacje te dotyczą pojedynczej pary chromosomów przy czym pozostałe są normalne
2. euploidy – poliploidy dzielimy na autopoliploidy i alloploidy
a) autopoliploidy – organizmy posiadające zwielokrotniony cały garnitur chromosomalny tj. 2n; 3n; 4n; xn
- przyczyną tych mutacji jest brak rozdziału chromosomów w mitozie dzięki czemu może powstać jądro o podwójnej liczbie chromosomów i w wyniku dalszych podziałów wyrosnąć może osobnik poliploidalny (tzn. cały poliploidalny lub posiadający tylko niektóre tkanki poliploidalne)
- przyczyną mogą być również zaburzenia mejozy – brak rozdziału chromosomów
- inną przyczyną jest tzw. endomitoza – czyli replikacja chromosomów bez udziału jądra – prowadzi do poliplodalności
- w celu wywołania poliploidyzacji można zastosować takie czynniki mutagenne jak np. kolchicyna – alkaloid dezorganizujący wrzeciono kariokientyczne, nie hamując replikacji, uniemożliwia rozdział zrepliowanych chromosomów; kolchicyna stosowana jest powszechnie w rolnictwie w celu uzyskania poliploidalnych odmian pszenicy, kukurydzy itp. w celu uzyskania większych plonów, innym mutagenem prowadzącym do poliploidalności jest accnaften
- poliploidalność jest często spotykana u roślin np. gameta 2n + gameta 2n = osobnik 4n – tetraploid; gameta 1n + gameta 2n = osobnik 3n – triploid
- autopoliploidy – powstają w obrębie tego samego gatunku
b) alloploidy – amfiploidy – organizmy posiadające sumę diploidalnych diploidalnych liczb chromosomów dwóch form rodzicielskich o chromosomach niehomologicznych; czyli są to mutanty powstałe z połączenia dwóch różnych genomów; mieszańce są najczęściej niezdolne do życia – wyjątek muł – wykazujący większą żywotność w porównaniu z rodzicami; wszystkie bezpłodne

Znaczenie poliploidów:
a) u roślin zazwyczaj korzystne np. mutanty pszenicy, kukurydzy, buraków dają lepsze plony
- poliploidalnośc prowadzi do zwiększenia objętości komórki, wykazano jednak że nie wszystkie organy powiększają się jednakowo; zmiany te określono jako gigantyzm organów
- poliploidy mają zwykle mniej szparek oddechowych na powierzchni liścia, stąd mniej intensywna transpiracja – dlatego są bardziej odporne na suszę
- najbardziej korzystne są tetraploidy (4n) u form z wyższą liczbą chromosomów zachodzę nieprawidłowości w wykształcaniu się organów
b) u zwierząt mają zazwyczaj charakter letalny lub subletalny

Choroby genetyczne u ludzi spowodowane mutacjami genomowymi: (wywołane nondysjunkcją w pierwszym lub drugim podziale mejotycznym)
- trisomia 21 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Downa lub idiotyzm mongoidalny – objawia się niedorozwojem umysłowym, niski wzrost, skośne szpary powiekowe, nieprawidłowości w rozwoju zębów, duży język, wąskie podniebienie, wady narządów wewnętrznych; pomimo upośledzenia chorzy osiągają pewien stopień rozwoju umysłowego; wykazują typowe cechy charakterologiczne – pogodne usposobienie, instynkt społeczny, upór; zespół Downa predysponuje do występowania białaczki (10x częściej)
- trisomia 13 pary chromosomów (2n=47) tzw. zespół Pataua – objawy: niedorozwój umysłowy, wady oczu, deformacja uszu, rozczep wargi, polidaktylia, wady narządów
- trisomia 18 para tzw. zespół Edwardsa – objawy: głęboki niedorozwój umysłowy, wady rozwojowe, wczesna śmierć w okresie niemowlęcym
- zespół Klinefeltera 2n + XXY u mężczyzn (niedorozwój jąder, obniżona inteligencja) i 2n + 3X u kobiet (zaburzenia miesiączkowania lub wtórny brak miesiączki, niski stopień inteligencji)
- zespół Turnera 2n + X – (niski wzrost, infantylizm narządów płciowych, bezpłodność)

6.Badania nad żywieniem - spojrzenie w przyszłość
Prowadzone w przyszłości badania dotyczące żywności będą coraz bardziej koncentrować się na poznaniu wpływu sposobu żywienia na nasze geny. Niektóre potencjalne korzyści takich badań to większe bezpieczeństwo żywności, wyższa zawartość określonych składników odżywczych, nowe metody leczenia i nowe sposoby ochrony środowiska.
Badania genetyczne mogą być zastosowane w dziedzinie żywienia na wiele sposobów, na przykład w celu zwiększenia wartości odżywczej produktu spożywczego, zmniejszenia ryzyka zachorowania na określone choroby lub w celu określenia optymalnego dla zdrowia sposobu żywienia. Z chwilą poznania ludzkiego genomu otworzył się nowy rozdział w badaniach dotyczących związku pomiędzy żywieniem a zdrowiem. W lutym roku 2000 dwa niezależne zespoły badaczy równolegle opublikowały w najbardziej prestiżowych periodykach naukowych "Nature" i "Science" wstępne wyniki badania całego genomu człowieka. Jest to zdumiewające osiągnięcie, jeśli uzmysłowimy sobie, że kompletna sekwencja ludzkiego genomu składa się 3,2 miliarda liter i jest tak ogromna, że w pełni mogła być opublikowana tylko w internecie. Obliczono, że opublikowanie jej w formie drukowanej zajęłoby więcej niż 75 000 stron gazetowych.
Badania nad ludzkim genomem wymagają dogłębnego poznania fizjologii komórki i jej reprodukcji. Podane poniżej wiadomości pozwolą przybliżyć niektóre problemy współczesnej genetyki.
Istnieją 4 podstawowe jednostki tworzące wszystkie geny zawarte w chromosomach.
Należą one do grupy zasad purynowych i pirymidynowych. Zawsze tworzą pary: adenina (A) tworzy parę z tyminą (T) a guanina (G) z cytozyną (C). Cała informacja niezbędna dla funkcjonowania komórki jest zawarta w sekwencji kwasów nukleinowych tworzonych przez powyższe cztery zasady. Sekwencje te powtarzane są w całym genomie kilka miliardów razy. Każda forma życia na Ziemi stosuje ten sam schemat, ale szczegółowy układ adeniny, cytozyny, guaniny i tyminy jest bardzo istotny, ponieważ to on odpowiada za odrębność poszczególnych gatunków roślin i zwierząt a także poszczególnych osobników należących do poszczególnych gatunków. Sekwencja DNA jest kluczem do poznania wielu tajemnic wszystkich form życia, od bakterii po człowieka. Nauka posiadła teraz ów klucz i może za jego pomocą sięgnąć do książki życia zwanej genomem.
Genom - całość DNA.
Genom składa się ze wszystkich cząsteczek DNA obecnych w organizmie, przede wszystkim tych, które tworzą geny (gen jest podjednostką DNA, która determinuje dziedziczone właściwości organizmu, chociażby kolor oczu). Genomy różnych gatunków organizmów różnią się wielkością. Na przykład najmniejszy znany genom posiadają bakterie. Składa się on z 600 000 par zasad purynowych i pirymidynowych . Natomiast genom człowieka zbudowany jest z ponad 3 miliardów par zasad. Chociaż geny są bardzo ważne dla komórki, to jej funkcje zależą bezpośrednio nie od działania genów ale białek. Geny zawierają informacje, które pozwalają komórce produkować różne białka. Z kolei białka decydują o tym, jak dany organizm wygląda, jak funkcjonuje a prawdopodobnie również jak się zachowuje.
Wizje przyszłości
Należy spodziewać się, że wiedza wynikająca z określenia genomu człowieka pozwoli na zrozumienie działania genów i poznanie mechanizmów regulujących ich działanie. Ważnym aspektem będzie poznanie interakcji pomiędzy składnikami żywności a genami oraz wpływu indywidualnej informacji genetycznej na sposób żywienia. Na przykład wiemy, że składniki mleka, warzyw i owoców korzystnie wpływają na metabolizm, ale dotychczas wiele mechanizmów tego działania pozostaje nieznanych. Prowadzone w przyszłości badania pozwolą zidentyfikować te mechanizmy i umożliwić poznanie, dlaczego niektóre składniki produktów spożywczych są korzystne dla zdrowia. Innym przykładem jest zmienność odpowiedzi metabolicznej poszczególnych osób na poszczególne produkty spożywcze i składniki odżywcze. Poznanie podstaw genetycznych tej zmienności będzie mogło być wykorzystane dla określenia szczegółowych zaleceń dietetycznych dla poszczególnych osób. Badania nad interakcjami pomiędzy genami a żywnością będą pomocne dla określenia nowych wskaźników (biomarkerów) zagrożenia wystąpienia różnych chorób lub rozpoznania tych chorób we wczesnym stadium ich rozwoju. Zapewne pozwoli to na zidentyfikowanie istotnych w prewencji tych chorób genów, które można będzie aktywować za pomocą stosowania określonej diety.
Zrozumienie budowy DNA.
Komórki są podstawowych składnikiem każdej formy życia. Całokształt informacji niezbędnej dla funkcjonowania komórki zawarty jest w substancji nazywanej kwasem dezoksyrybonukleinowym (DNA). DNA znajduje się w jądrze komórkowym. U ludzi cząsteczka DNA składa się z dwóch łańcuchów, które zwijają się tworząc podwójną spiralę podobną do skręconej drabiny. Boczne belki tej drabiny stanowią struktury zbudowane z węglowodanów (deoksyryboza), zaś szczeble drabiny zbudowane są z wymienionych powyżej zasad purynowych i pirymidynowych.

Genomika
Rozwój technik sekwencjonowania DNA oraz możliwości obróbki komputerowej uzyskiwanych sekwencji spowodował powstanie nowej gałęzi biologii molekularnej, zwanej genomiką. Genomika bada podobieństwa i różnice sekwencji DNA całych genomów: zarówno w obrębie tego samego genomu jak i pomiędzy genomami należącymi do różnych gatunków. W ten sposób można śledzić zmiany, jakie dokonywały się w przeszłości na poziomie DNA i które były przyczyną powstawania nowych gatunków. W roku 2001 opublikowano całą sekwencję genomu człowieka, prace nad tym projektem trwały ponad 10 lat. W przyszłości, kiedy sekwencjonowanie będzie tańsze i szybsze, możliwe stanie się ustalanie tzw. profilu genetycznego każdego pacjenta. Na tej podstawie będzie można prognozować prawdopodobieństwo wystąpienia określonych chorób i odpowiednio wcześnie leczyć. Obecnie znane są także genomy ważnych organizmów modelowych, takich jak mysz, muszka owocowa Drosophila melanogaster, nicień Coenorhabditis elegans, drożdże Saccharomyces cerevisiae oraz genomy wielu wirusów i bakterii. Jest to dopiero początek badań nad genomami i najbliższe lata przyniosą z pewnością wiele fascynujących odkryć.
paralogi i ortologi Pragnąc ustalić ewolucyjne pokrewieństwo genów bada się głównie podobieństwa pomiędzy sekwencjami aminokwasów w różnych białkach, gdyż na skutek zdegenerowania kodu genetycznego sekwencje na poziomie DNA mogą różnić się w znacznie większym stopniu i może to utrudnić śledzenie pokrewieństw. Współczesna genomika wprowadziła do genetyki dwa nowe pojęcia: paralogi (są to geny wykazujące podobieństwo sekwencji w obrębie konkretnego genomu jakiegoś gatunku) i ortologi (są to geny o podobnych sekwencjach występujące u różnych gatunków).
Po zsekwencjonowaniu genomu drożdży okazało się, że na ok. 6300 genów aż ok. 24% stanowią ortologi genów człowieka. Świadczy to o tym, że w trakcie ewolucji wiele domen białkowych zostało wytworzonych bardzo wcześnie i że nadal funkcjonują one w najbardziej podstawowych procesach metabolicznych u organizmów o bardzo małym stopniu pokrewieństwa. Z drugiej strony — badając pokrewieństwa genów w obrębie genomu drożdży, wykryto aż 55 obszarów zawierających 376 par podobnych do siebie genów, czyli paralogów. Wyniki badań sugerują, że ok. 100 mln lat temu genom drożdży uległ duplikacji. Cześć powielonych genów uległa eliminacji, cześć akumulowała mutacje i uległa przekształceniu do nieaktywnych biologicznie pseudogenów, pozostałe zaś mogły uzyskać nowe funkcje.
horyzontalny transfer genów Genomika umożliwia także śledzenie jeszcze jednego procesu, który wydaje się odgrywać rolę w ewolucji — horyzontalnego transferu genów. Polega on na nabywaniu genów od innego gatunku. Proces ten znany jest u bakterii, gdzie przenoszenie DNA może się dokonywać za pośrednictwem plazmidów, wirusów lub procesu pobierania DNA ze środowiska. U organizmów wyższych bariery pomiędzy gatunkami wydają się bardziej szczelne i jest mało prawdopodobne, aby proces ten mógł zachodzić. W zsekwencjonowanym genomie człowieka znaleziono kilkadziesiąt ortologów bakteryjnych, ich pochodzenie nie jest jednak jasne.
genom człowieka Ustalenie w roku 2001 pełnej sekwencji genomu człowieka przyniosło kilka niespodziewanych informacji. Liczba genów okazała się znacznie mniejsza od spodziewanej — wynosi bowiem ok. 35-40 tys. Co więcej, sekwencje kodujące białka, czyli geny sensu stricte, zajmują jedynie 1,5% całego genomu. Ustalenie sekwencji genów nie jest oczywiście równoznaczne z poznaniem funkcji kodowanych przez nie białek, dlatego też konieczne będzie wiele lat badań, także nad poznawaniem wzajemnych relacji pomiędzy białkami. Szczególnie fascynujące będą badania nad ewolucją naczelnych i zidentyfikowanie tych genów, które różnią nas od szympansa, goryla i orangutana.


1.The Human Genome, Science, 291; 5507, Feb 16, 2001
2.Primer on Molecular Genetics, United States Department of Energy, 2001
3.United States Department of Energy, Human Genome Project www.ornl.gov/hgmis
4.European Parliament and Council Directive 98/44/EC, 6 July 1998. Official Journal L213, 30-7-98.
5.Roberts MA, Mutch DM and German JB. Genomics: food and nutrition. Current Opinion in Biotechnology 2001,12:516-522
7. Marta Dziedzicka-Wasylewska Instytut farmakologii PAN