Dvojna vijačnica

Deoksiribonukleinska kislina ali kratko DNK, zapletena beseda, s katero se srečujemo vedno pogosteje, hkrati s tem, ko genetika počasi prodira v naše vsakdanje življenje. DNK, verjetno ena najbolj občudovanja vrednih stvari v naravi, nam v zadnjih letih počasi razkriva svoje skrivnosti, čeprav bo zagotovo preteklo še precej časa, preden bomo vse razumeli. Lani smo bili priča pomembnemu dogodku - uspelo nam je ugotoviti celotno zaporedje DNK pri človeku. Ker je človeška DNK po mnenju nekaterih sestavljena iz več kot treh milijard sestavnih delov ali črk, si lahko predstavljamo, kako gromozansko delo je ugotovitev vsega zaporedja. Da bi si laže predstavljali, kaj pomeni tri milijarde črk, ki sestavljajo celotno človeško DNK - če bi v eni sekundi izrekli deset glasov, ki jih označujejo te črke, bi potrebovali več kot deset let, preden bi končali deklamiranje vsega besedila človeške DNK. Zatorej ni nenavadno, da je bilo razkritje celotnega zaporedja DNK največji in najdražji znanstveni projekt v zgodovini človeštva, v katerem je sodelovalo veliko držav. Projekt je dražji kot projekt Apollo, ki je pripeljal človeka na mesec, vendar bo zagotovo tudi veliko bolj vplival na naše vsakdanje življenje, kot je pristanek na luni. Toda razkritje zaporedja DNK pomeni le nov začetek. Samo poznavanje zaporedja DNK nam nič ne pove o tem, kako posamezni deli upravljajo delovanje naših celic. Zato bi lahko poznavanje tega zaporedja primerjali z gledanjem knjige v tujem jeziku. Prepoznamo vse posamezne črke, a celote ne moremo razumeti. Zaradi tega nas v prihodnjih letih čaka še ogromno dela, da bomo ugotovili, kaj je naloga posameznih genov in kako ti delujejo. Še vedno nam manjka ogromno znanja o tem, kako DNK usmerja in vodi vse procese v vsaki živi celici od bakterije do človeške celice.

Genetika vedno bolj prodira tudi v naše vsakdanje življenje. Zadnja leta se veliko sliši o kloniranju, gensko spremenjenih rastlinah in živalih, o odkrivanju genov, odgovornih za nastanek nekaterih genetskih bolezni, odkrivanju genov, ki sodelujejo pri nagnjenosti k debelosti, srčnim obolenjem ali deloma določajo naš značaj, genetika postaja nepogrešljiva pri odkrivanju zločincev, ugotavljanju starševstva, pri raziskavah, od kod so prišli naši predniki, in še marsikje. Skrivnost zaporedja DNK nam lahko pove ogromno o nas, o naši preteklosti, o naših prednikih in deloma tudi napove našo prihodnost. Očitno vedno bolj vstopamo v dobo biotehnologije. Pa smo pripravljeni in dovolj razumni ter odgovorni, da bomo lahko vstopili v to novo obdobje zgodovine človeštva? Nesluten razvoj genetike oziroma biotehnologije prinaša s seboj tudi številna vprašanja in nevarnosti. Smo pripravljeni na to, da bi si vnaprej izbirali spol otroka? Smo sposobni razumeti in pripravljeni sprejeti novico, da smo nagnjeni k nevarni, morda smrtonosni bolezni? Kaj bomo naredili ob novici, da ima otrok, ki ga pričakujemo, genetsko bolezen? In navsezadnje, kaj bo z našo pravico do zasebnosti? Nam bo zavarovalnica še odobrila življenjsko zavarovanje, če bo lahko prišla do podatkov, da v sebi nosimo smrtonosen gen? Kaj bi naredil delodajalec, če bi izvedel, da imamo v DNK skrit gen za nagnjenost k alkoholizmu? Ali je prav, da policija zbira in shranjuje podatke o zaporedju DNK vseh zločincev ali le osumljenih? V zadnjih letih poteka veliko razprav, ali imajo farmacevtske korporacije pravico patentirati gene, kar se dogaja predvsem v ZDA v zelo velikem obsegu. Ali si res lahko kdo lasti naše gene kot intelektualno lastnino? Ta in še mnoga druga vprašanja se nam vedno pogosteje postavljajo in nanje bomo morali odgovoriti, če bomo želeli odgovorno in brez strahu vstopiti v dobo genetike.

Mendel in co.

Molekularna biologija in biotehnologija sta se močno razvili šele v zadnjih desetletjih, seveda pa je genetika precej starejša. Ljudi so že zelo dolgo zanimala vprašanja, kako se lastnosti prenašajo iz roda v rod, pravi razvoj sodobne genetike pa se je začel pred približno sto leti. Eno od osnovnih genetskih teorij je prvi odkril in opisal že nekaj desetletij prej skromen češki menih Gregor Mendel. Gregor Mendel se je ukvarjal s proučevanjem prenašanja lastnosti od staršev na potomce pri grahu. Pozornost je posvečal posameznim lastnostim, kot sta barva cvetov in oblika lupine plodov. Z opazovanjem je prišel do temeljnih genetskih zakonov, ki večinoma (čeprav, kot bomo slišali kasneje, ne popolnoma) še vedno veljajo in sodijo med osnove genetike. Ti zakoni so pravila o različnih načinih dedovanja, dominantnosti, recesivnosti in enakovrednosti genov. Gregor Mendel je svoja odkritja objavil leta 1866, vendar je njegovo delo takrat ostalo neopaženo. Šele več kot 30 let kasneje so drugi znanstveniki prišli do podobnih sklepov, a so morali ugotoviti in priznati, da je vse za nekaj desetletij prehitel menih iz Brna.

Advent molekularne biologije in posledično biotehnologije je napočil z odkritjem, kako je sestavljena molekula DNK in kako se prek nje prenašajo informacije med generacijami. To se je leta 1953 posrečilo Američanu Jamesu Watsonu in Angležu Francisu Cricku, ki sta takrat delala na Univerzi v Cambridgeu v Angliji. Precej zaslug pri tem odkritju je imela tudi veliko manj znana (popolnoma neupravičeno) angleška znanstvenica Rosalind Franklin, za katero mnogi menijo, da bi si prav tako zaslužila Nobelovo nagrado, saj naj bi bil njen delež pri tem odkritju vsaj tolikšen, če ne celo večji kot delež Watsona in Cricka (bralec, ki ga zgodba o odkritju tega, kako je sestavljena DNK, in o podcenjeni vlogi Rosalind Franklin bolj zanima, lahko prebere knjigi J. Watson: Dvojna vijačnica in A. Sayre: Rosalind Franklin & DNA). DNK so sicer prvič osamili že leta 1869 iz belih krvničk, vendar dolgo ni nihče vedel, da je ravno DNK tista snov, ki iz roda v rod prenaša sporočilo o tem, kako je sestavljeno in kako deluje naše telo. Šele nekaj let pred Watsonovim in Crickovim odkritjem je ameriški znanstvenik Oswald Avery ugotovil, da je DNK snov, iz katere so sestavljeni geni. Watson in Crick sta nato ugotovila, da je molekula DNK videti kot nekakšna lestev, ki se uvija okoli same sebe. DNK je sestavljena iz molekul sladkorja, strokovno imenovanega deoksiriboza, atomov fosforja in štirih različnih tako imenovanih baz, ki se imenujejo adenin, timin, citozin in gvanin, navadno pa jih kratko označujemo kar z njihovimi začetnicami, torej A, T, C in G. Te baze predstavljajo črke abecede, iz katerih je sestavljena celotna skrivnost življenja. Molekule sladkorja in fosfor sestavljajo stranske dele lestve, po dve bazi skupaj pa tvorita "kline", pri čemer je pomembno vedeti, da sta si v molekuli DNK nasproti lahko vedno le A in T ali C in G, ne more pa biti nasproti T-ja G ali C in nasprotno. Zaporedje teh klinov pomeni stavke ali gene, vsak od njih predstavlja sporočilo za sestavo točno določene beljakovine. V abecedi DNK so vse besede enako dolge, sestavljene iz treh črk in zaporedje treh baz ali kodon je navodilo, kateri zidak (aminokislina) naj bo naslednji uporabljen pri sestavljanju nove beljakovine. Skupina takih besed ali trojk baz predstavlja stavek ali gen, celotno sporočilo za sestavo posamezne beljakovine iz njenih sestavnih delov, aminokislin.

Genom

Ker je DNK v jedru celice, beljakovine pa s pomočjo ribosomov, majhnih napravic za sestavljanje beljakovin iz aminokislin, nastajajo v citoplazmi, se mora sporočilo nekako prenesti od DNK do ribosomov. To se dogaja z ribonukleinsko kislino ali RNK, molekulo, ki je zelo podobna DNK, le da se sladkor, ki je njen sestavni del, imenuje riboza (ima eno molekulo kisika več kot deoksiriboza v DNK), namesto baze timina pa RNK uporablja bazo, imenovano uracil (U). S posebnimi encimi se sporočilo, ki ga v sebi nosi DNK, prepiše v sporočilno RNK, ta se nato prenese k ribosomom v citoplazmi, ti pa po navodilu naredijo beljakovine. Proces se imenuje centralna dogma molekularne biologije in na njem temeljita delovanje in razvoj vseh živih bitij.

Seveda delovanje živih bitij ni tako preprosto. Vsaka celica v človeškem ali živalskem telesu vsebuje celotno DNK ali genom (danes sicer vemo, da to ni popolnoma res, vendar bomo zaradi enostavnosti ostali pri tej domnevi), se pravi celotno zbirko genov, ki so pomembni za razvoj novega bitja od oplojenega jajčeca do odrasle rastline, živali ali človeka, kjer mora zopet vsaka posamezna celica opravljati le točno določene naloge. Zato je eno najpomembnejših vprašanj molekularne biologije, kako celice urejajo aktivnost ali izraženost genov, da zagotovijo pravilno delovanje vseh procesov v celici. Če vemo, da je človeški genom po zdajšnjih predvidevanjih (natančnega števila še ne poznamo in ga verjetno še nekaj let ne bomo poznali) sestavljen iz okoli 30.000 do 40.000 genov, si lahko predstavljamo, kako zapleteni morajo biti procesi, ki zagotavljajo natančno in pravilno delovanje celotnega organizma. Zaradi tega tudi primerjava zapisa DNK s knjigo ni najbolj posrečena, boljša bi bila morda primerjava s klavirjem, kjer vsaka tipka predstavlja en gen. Pravilno zaporedje igranja klavirskih tipk lahko ustvari zvoke Beethovnove devete simfonije ali Mozartovega klavirskega koncerta ali v primeru DNK razvoj in delovanje novega živega bitja. Vemo pa, kako lahko ena napačno udarjena tipka pokvari vtis celotnega koncerta, in prav tako lahko majhna napaka v delovanju enega samega gena ima hude, tudi smrtne posledice.

Kot smo omenili že v uvodu, je človeška DNK sestavljena iz več kot treh milijard črk. Če bi lahko celotno DNK iz ene človeške celice raztegnili, bi bila dolga kar nekaj metrov, čeprav je tako tanka, da je ne moremo videti s svetlobnim mikroskopom. Zaradi te izjemne dolžine mora biti DNK v celičnem jedru zelo dobro in natančno "zapakirana", da je sploh lahko vsa v tako majhnem prostoru. DNK je v celicah zato v tako imenovanih kromosomih. Kromosomi imajo ogrodje iz beljakovin, na katerem je zelo natančno in tesno navita DNK. V celici se nekateri deli DNK po potrebi nekoliko odvijejo in tako omogočijo, da se aktivni geni prepišejo v RNK, tisti deli DNK, ki so v posameznih celicah neaktivni, pa ostanejo tesno zviti. Pred delitvijo celice se DNK v celoti zvije še bolj, kot je običajno, zato ob delitvah celice te kromosome vidimo tudi s svetlobnim mikroskopom. V človeških celicah imamo po 46 kromosomov, vsak od njih je sestavljen iz ene nepretrgane verige DNK. Človeške in živalske celice vedno vsebujejo parno število kromosomov, to je potrebno zaradi spolnega razmnoževanja. Med razvojem semenčice ali jajčeca se v teh celicah število kromosomov razdeli na polovico, da ima novonastali zarodek ob združitvi semenčice in jajčeca ponovno popolno, parno število kromosomov; polovico jih prejme od matere, polovico od očeta. Skoraj vsi kromosomi v človeških in živalskih celicah so v parih, edina izjema sta tako imenovana spolna kromosoma, kromosoma, ki nosita v svoji DNK skrita sporočila za to, ali naj se zarodek razvije kot fantek ali punčka. Spolna kromosoma imenujemo zaradi njune oblike X in Y. Ženske imajo v svojih celicah dva kromosoma X, ki sta podobna vsem drugim kromosomom, moški pa imajo po en kromosom X in en Y. Kromosom Y je zelo majhen (daleč najmanjši od vseh kromosomov) in njegova DNK vsebuje le malo genov, vendar je prav kromosom Y tisti, ki odloči, ali se bo zarodek razvil kot fantek ali punčka. Pri sesalcih je nekako normalna pot razvoja razvoj ženskega spola. Tako se bodo tudi zarodki z enim samim kromosomom X razvili kot ženske, kromosom Y pa bo sprožil razvoj moškega spola tudi, če bo zarodek imel v svojih celicah več kromosomov X (to se občasno zgodi). Na kromosomu Y se namreč skriva zelo majhen gen, strokovno imenovan SRY, ki sam zadostuje, da sproži razvoj mod namesto jajčnikov. Moda nato izločajo snovi, ki vplivajo na razvoj vseh drugih moških spolnih organov in povzročijo zakrnitev ženskih, v odsotnosti teh snovi pa se zarodek razvije kot punčka. A verjetno sta tudi oba spolna kromosoma nekoč v daljni preteklosti sestavljala par, podobno kot vsi drugi kromosomi (te v nasprotju s spolnimi imenujemo avtosomalni), nato pa se je iz še neznanega razloga kromosom Y pričel zmanjševati vse do današnje velikosti. Zaradi razlike v kromosomih oziroma genih, ki so pri ženskah v dveh kopijah (ker imajo dva kromosoma X), pri moških pa le v eni (ker nimajo istih genov na kromosomu Y), bi se lahko pojavil problem normalnega in podobnega razvoja pri moških in ženskah. To pa je narava genialno uredila tako, da kmalu po oploditvi eden od obeh kromosomov X v vseh ženskih celicah postane neaktiven, se pravi, da so v ženskem telesu v življenju aktivni geni le z enega od obeh kromosomov X.

Zaradi zapletenosti delovanja celice, predvsem tega, kako je urejeno, da so v posameznih celicah aktivni le točno določeni geni, zatorej ni presenetljivo, da so nam ti procesi še večinoma neznani. Sicer si nova odkritja sledijo iz dneva v dan z nesluteno hitrostjo, a večinoma trenutno ugotavljamo, če se izrazim v prispodobi, kakšne so videti in kakšna je vloga posameznih opek, iz katerih je sestavljena hiša, ne znamo pa si še prav predstavljati, kako vse opeke skupaj sestavljajo in zagotavljajo pravilno delovanje te hiše, imenovane celica.