Dziedziczenie cech intrygowało ludzkość już w zamierzchłych czasach. Bogactwo otaczającego ich życia zmuszało ich do zastanawiania się: dlaczego to wszystko tak się dzieje? W przeszłości nasi przodkowie nie tylko dziwili się, ale i eksperymentowali wykorzystując dziedziczenie dla własnych celów. Spadkiem tych eksperymentów , jaki otrzymaliśmy, są udomowione rośliny i zwierzęta, które do dziś stanowią dla nas podstawę wyżywienia i wytwarzania odzieży, a nawet zwykłe drożdże używane do produkcji chleba, wina i piwa. W tym dziedzictwie pozostawionym po naszych starożytnych przodkach odnajdujemy początki badań w dziedzinie zwanej dzisiaj genetyką.
Z historycznego punktu widzenia, ogromna różnorodność form życia przeszkadzała w odkryciu ogólnych praw biologii. (Niełatwo dostrzec związki łączące drzewo i konia.) Wielkie idee dojrzewały powoli, bywało, że o niektórych dobrych pomysłach zapominano, aby odkryć je ponownie setki lat później.
W V wieku p.n.e. greccy filozofowie, pomimo silnej presji kulturowej, aby potwierdzić dominację mężczyzn, doszli do wniosku, który dziś wydaje się oczywisty, że obie płcie muszą mieć udział w formowaniu nowego życia, ponieważ potomstwo jest podobne do obojga rodziców. Wierzyli również, że ów udział jest rodzajem informacji zebranej z części dojrzałych osobników. Demokryt dowodził, że informacja jest przenoszona w postaci cząstek, których kształt, wielkość i wzajemne ułożenie wpływają na cechy potomstwa. Jednak nie wszyscy ten pogląd podzielali. Teofrast, uczeń Arystotelesa, jako pierwszy dostrzegł podobieństwa między rozmnażaniem się zwierząt i roślin i zaproponował, by pojęcia osobnik: męski i żeński, używać na określenie uczestników rozmnażania płciowego.
Poważne prawdziwe badania genetyczne rozpoczęły się w XIX wieku. Badano dziedziczenie zmiennych cech, widocznych na pierwszy rzut oka, na przykład koloru kwiatów groszku czy ludzkich oczu. W wyniku tych badań powstało abstrakcyjne pojęcie niepodzielnego genu jako podstawowej jednostki dziedziczenia. Przypuszczano, że jeden z genów determinuje barwę kwiatu groszku, inny wysokość całej rośliny i tak dalej. Natura genu oraz sposób, w jaki decyduje o określonych cechach, pozostawały całkowicie nie znane.
To właśnie na początku XIX wieku, dzięki udoskonaleniu mikroskopów pojęcie komórki stało się podstawą jednego z najważniejszych uniwersalnych praw dotyczących istot żywych. Wszystkie organizmy żyją albo jako pojedyncze komórki, mnożące się niezależnie w swoim środowisku, albo jako zbiorowiska komórek. Bakterie to pojedyncze komórki i podczas wzrostu w zasadzie każda komórka może funkcjonować niezależnie od innych. Natomiast rośliny i zwierzęta, jako organizmy złożone z bilionów komórek o rozmaitych rozmiarach i kształtach. W takich organizmach odmienne typy komórek pełnią odmienne funkcje. Często komórki określonego rodzaju łączą się w bardziej złożone struktury, takie jak tkanki, które z kolei tworzą wątrobę, mózg albo liść. Tkanki pełnią specyficzne funkcje, określone właściwościami komórek wchodzących w ich skład. Jednym z ważniejszych osiągnięć biologii XIX wieku było wykazanie, że nowe komórki powstają jedynie przez podział komórek już istniejących.
Po sformułowaniu teorii komórkowej podjęto trzy kierunki badań istot żywych: analizę statystyczną dziedziczenia się pojedynczych cech, badania struktury i własności chromosomów oraz badania związków chemicznych wchodzących w skład jądra i cytoplazmy. Te trzy rozwijające się równolegle nurty legły u podstaw ważnych i niezależnych dyscyplin naukowych, zanim w połowie obecnego stulecia połączyły się w jedną – genetykę.
Na początku XIX wieku biolodzy zauważyli wewnątrz jąder komórek roślin i zwierząt małe struktury. Nazwali je chromosomami (od greckiego chromo – barwa i soma – ciało), ponieważ struktury te szczególnie dobrze barwiły się pewnymi substancjami stosowanymi podczas przygotowywania komórek do badań mikroskopowych. W drugiej połowie XIX wieku biolodzy szczegółowo poznali kształt i zachowanie chromosomów.
Okazało się, że wszystkie komórki, z wyjątkiem komórek jajowych i plemników, organizmu danego gatunku zawierają zawsze taką samą, charakterystyczną liczbę chromosomów. Na przykład, pewien gatunek muszki owocowej ma osiem chromosomów, podczas gdy ludzie i nietoperze – po 46, kukurydza – 20, a nosorożec – 84. Dzieje się tak, mimo że poszczególne komórki różnią się całkowicie budową i funkcją. Chromosomy można pogrupować w pary ze względu na podobny kształt: cztery pary u muszki owocowej, 23 pary u ludzi i tak dalej. Dwa podobne składniki pary określa się mianem homologicznych względem siebie.
Badania mikroskopowe chromosomów w martwych wybarwionych komórkach dają statyczny obraz ich zachowania. Można było jednak ułożyć takie obrazy w sekwencję zdarzeń. Oglądane w kolejności obrazy pokazują, jak w czasie gdy komórka przygotowuje się do podziału zmieniają się chromosomy. Stało się jasne, że podczas podziału komórkowego tworzy się duplikat każdego chromosomu, co daje w rezultacie podwojenie ich liczby. Cały proces podziału chromosomowego nazywany jest mitozą. Wydarzenia następujące od początku jednego podziału komórkowego do następnego określa się mianem cyklu komórkowego.
Aby analiza struktury chromosomów powiodła się, trzeba wybrać odpowiedni organizm doświadczalny. Na początku ulubionym układem eksperymentalnym badaczy były bardzo grube pary chromosomów z gruczołów śliniankowych muszki owocowej. Z systematyczną analizą chromosomów ludzkich i innych małych chromosomów ssaków trzeba było czekać aż do drugiej połowy naszego stulecia. Nawet obecnie małe i rozmyte chromosomy takich prostych organizmów jak drożdże i pierwotniaki nie są możliwe do analizy pod mikroskopem świetlnym.
Koncepcja genu narodziła się dzięki pracom Grzegorza Johanna Mendla w latach sześćdziesiątych XIX wieku, choć sam termin powstał dopiero po powtórzeniu i uzupełnieniu jego odkryć na początku naszego stulecia.
W 1900 nastąpił rozwój genetyki jako oddzielnej dziedziny wiedzy. Powtórne odkrycie praw Mendla. Nastąpiło to równocześnie i przez Karola Eryka Corrensa, Eryka Edlera von Saysenegg Tschermak oraz Hansa Vredemanna de Vries, wszyscy pracowali nad tymi samymi zagadnieniami lecz swoje prace prowadzili oddzielnie.
W 1909 wprowadzono podstawowe pojęć genetyczne jak: gen, genotyp, fenotyp. Dokonał tego Wilhelma Luisa Johannsena. Słowo „gen” wprowadzono na określenie abstrakcyjnej jednostki dziedziczenia, odpowiedzialnej za jakąś cechę danego gatunku. Prowadzona przez wiele pokoleń analiza statystyczna dziedziczenia się prostych cech w populacjach potwierdziła koncepcję genu.
W swoich badaniach Mendel badał długość pędów, kolor kwiatów oraz kolor i kształt nasion groszku pachnącego. Tak więc kolor kwiatów lub nasion rozumiano jako rozróżnialne, dziedziczne cechy, nie znając procesów chemicznych i nie wiedząc nic o sposobie, w jaki geny determinują kolor. Fascynujące jest to, iż koncepcja Mendla i jego następców jest całkowicie zgodna z dzisiejszym rozumieniem chemicznej struktury genu i sposobu, w jaki określa ona cechy organizmu.
Grzegorz Mendel(1822 – 84) był mnichem austriackim. W swoich eksperymentach używał groszku pachnącego z trzech powodów. Po pierwsze, ta roślina wytwarza wiele cech, różnych u innych odmian groszku, Mendel mógł je łatwo obserwować, po drugie, groszek może być łatwo ze sobą krzyżowany zapylany, po trzecie: groszek produkuje stosunkowo dużą ilość nasion. Podstawą założenia Mendla, które sobie postawił w trakcie badań jest to, iż każda cecha w organizmie musi być „zapisana” w jakichś materialnych czynnikach. Te czynniki są przekazywane potomstwu w procesie rozmnażania.
W swoich doświadczeniach Mendel obserwował dziedziczność jednej cechy u roślin groszku pachnącego, np.:. nad wysokością roślin, kolorem kwiatów, kolorem i kształtem nasion. Opisałem eksperyment z wysokością rośliny, bo go nie przerabialiśmy w szkole. Najpierw Mendel rozmnażał wysoką odmianę groszku (wysokość roślin wynosiła około 2 metry. Będę nazywać ją rośliny TT, co oznacza dwa geny kodujące wysokość 2 metry. Mendel zauważył, że tylko wysokie rośliny powstawały w wyniku rozmnażania. Doszedł więc do wniosku, że te rośliny muszą zawierać jakiś czynnik zapisujący wysokość 2 metry. Następnie Mendel rozmnażał niską odmianę groszku (wysokość roślin wynosiła około 30 centymetrów. Będę nazywać te rośliny tt. W każdej generacji roślin były tylko niskie rośliny o wysokości 30 centymetrów. W następnym kroku Mendel skrzyżował odmianę wysokiego groszku (TT) z odmianą niskiego groszku (tt). W rezultacie powstawały tylko rośliny wysokie, różniące się od odmiany wysokich tym, że miały geny kodujące wysokość i 2 metry, i 30 centymetrów – genotyp Tt. Potem skrzyżował groszek Tt i otrzymał trzy roślin o wysokości 2 metry i jedną 30 centymetrów.
Dla ułatwienia Mendel nazwał każdą generację:
Początkową generację nazwał: generacją P (parent, ang. rodzice)
Następne generacje nazwał: generacją F1 (first filial, ang. pierwsze potomne),
generacją F2 (second filial, and. drugie potomne).
Wynikiem eksperymentu były:
generacja P – skrzyżowane zostały rośliny z odmiany wysokiej z roślinami z odmianą niską
generacja F1 – tylko wysokie rośliny urosły
generacja F2 – trzy czwarte roślin było wysokich, jedna czwarta niskich
Wnioski jakie wyciągną Mendla są znane jako prawa Mendla:
1) Pierwsze prawo Mendla – prawo segregacji:
Płciowo rozmnażające się organizmy mają po dwa allele każdego genu. Podczas formowania gamet w procesie mejozy, allele umieszczone na chromosomach homologicznych (tak się nazywają chromosomy występujące parami) są oddzielane od siebie. Każdy gatunek organizmów eukariotycznych ma konkretną, liczbę par chromosomów. Podczas formowania gamet następuje rozdzielenie tych chromosomów – do każdej gamety idzie tylko połowa informacji genetycznej, z każdej pary chromosomów tylko jeden znajduje się w gamecie.
Chromosomy muszki owocowej
2) Drugie prawo Mendla – prawo niezależnej segregacji cech:
Kiedy gamety są produkowane, allele każdego genu są przekazywane oddzielnie. Znaczy to, że wszystkie cechy są dziedziczone niezależnie.
Jednak z czasem okazało się, iż nie wszystkie obserwacje mendla są słuszne i naukowcy opisali listę zastrzeżeń do prawa Mendla. Dotyczyły one niezupełna dominacji, która jest zjawiskiem bardzo podobnym do współdominacji. Oznacza to, że heterozygoty różnią się od homozygot. Organizm będący heterozygotą wykazuje w swoim fenotypie nie tylko cechy genu dominującego, można zauważyć także cechy genu recesywnego. Łatwiej będzie zrozumieć to zjawisko na podstawie rysunku znajdującego się poniżej. Na rysunku przedstawione są kwiaty wyżlinu, czyli inaczej lwiej paszczy. W generacji P kwiaty mają kolor czerwony (genotyp RR) i biały (genotyp rr). W generacji F1 wszystkie kwiaty mają kolor różowy. W generacji F2 jedna czwarta kwiatów ma kolor czerwony, dwie czwarte różowy i jedna czarta biały. W tym przypadku stosunki genotypów i fenotypów nie różnią się.
Więc spółdominacja jest szczególnym przypadkiem dominacji niezupełnej. Nie ma formy allelu dominującego ani recesywnego, gdyż istniejące allele są, właśnie „współdominujące”. W tym wypadku działanie obydwu alleli jest takie same. Dobrym przykładem współdominacji są grupy krwi. Osoba z grupą krwi AB ma allele IA oraz IB, które są współdominujące. Grupa krwi AB będzie miała cechy grupy A oraz grupy B.
Kolejnym zastrzeżeniem jest to, iż liczba alleli może być większa od dwóch: Allel jest możliwą formą genu. Mendel sądził, że mogą być tylko dwa allele, jednak stwierdzono, że alleli może być dużo więcej: trzy allele, cztery, pięć a nawet sześć! Żeby móc zrozumieć to zjawisko, trzeba pamiętać, że w jednym organizmie mogą być najwyżej dwa allele. Wyjątek stanowi organizmy, które mają zamiast par chromosomów czwórki chromosomów, szóstki chromosomów lub jeszcze więcej. Człowiek i większość organizmów eukariotycznych ma w normalnych komórkach 2n informacji genetycznej, a w komórkach rozrodczych 1n. Jednak są organizmy mające 4n, 6n, lub więcej n informacji genetycznej.
Przy obecnym postępie genetyki jedynie pierwsze prawo Mendla nadal obowiązuje. Do drugiego prawa Mendla jest zbyt dużo zastrzeżeń, by uznać je nadal za obowiązujące. Drugie prawo Mendla mówi, że wszystkie geny dziedziczą się niezależnie. Jednak geny dziedziczą się niezależnie tylko gdy leżą na oddzielnych chromosomach. Geny leżące na jednym chromosomie dziedziczą się wspólnie. Takie geny (dziedziczące się wspólnie ) nazywamy genami sprzężonymi. Odchylenia od prawa Mendla zostały wyjaśnione przez Thomasza Hunt Morgana i jego Chromosomową Teorie Dziedziczności.
Mendel sugerował, że geny występują w parach. Thomas Morgan, jeden z czołowych zoologów Stanów Zjednoczonych udowodnił, że nośnikami genów są chromosomy. Opracował on Chromosomową Teorię Dziedzicznoci. W 1908 roku, Morgan zaczął eksperymenty na owadach Drosophila melanogaster. Te owady są popularnie nazywane muszkami owocowymi, nazwa ta pochodzi stąd iż odżywiają się one gnijącymi owocami.
Powodów dla których Morgan swoje eksperymenty prowadził na muszkach owocówkach było wiele, a oto najważniejsze znich:
. Muszki rozmnażają się bardzo szybko. Czas generacji (od narodzin do wydania potomstwa) trwa około tygodnia.
. Potomstwo wytwarzane w jednej generacji jest bardzo liczne, Morgan mógł szybko otrzymać dużą liczbę osobników.
. Eksperymenty z muszką owocową mogą być powtarzane wiele razy – analiza genetyczna jest bardzo szybka i prosta.
. Owocówki mają tylko cztery pary chromosomów, na dodatek w niektórych komórkach są one na tyle duże, że można je oglądać już pod stukrotnym powiększeniem w mikroskopie świetlnym!
. Na dodatek bardzo duża ilość potomstwa i krótki czas generacji powodowały, że Morgan mógł zaobserwować mutacje.
W każdej generacji muszek owocowych, połowa osobników to samce, połowa samice. Różnica genetyczna pomiędzy obydwoma płciami polega na budowie chromosomów i na genach w nich zawartych. Muszki owocowe mają trzy pary chromosomów, które są całkowicie homologiczne. Oznacza to, że znajdują się na nich geny odpowiadające za te same cechy. Te chromosomy nazywane są autosomami. Czwartą parą chromosomów są chromosomy płci. Samce mają jeden chromosom X i jeden Y, natomiast samice mają dwa chromosomy X. Chromosom Y jest dużo mniejszy od chromosomu X i nie zawiera wielu genów leżących na chromosomie X. Dlatego właśnie te dwa chromosomy nie są całkowicie homologiczne. Z rysunku poniżej wynika, iż płeć muszek zależy od plemnika. Jeśli jajo zostanie zapłodnione plemnikiem zawierającym chromosom X, powstanie samica, natomiast jeśli jajo zostanie zapłodnione plemnikiem zawierającym chromosom Y powstanie samiec. Tak więc chromosom X pochodzący od samca zostanie przekazany w pokoleniu F1 tylko córkom. Męscy potomkowie mogą go odziedziczyć dopiero za pośrednictwem córek w pokoleniu F2.
Załóżmy, że chromosomy X samców zawierają jakiś gen kodujący jakąś cechę. W pokoleniu F1, ta cecha będzie dziedziczona tylko przez córki. Dopiero w pokoleniu F2, będzie ona dziedziczona zarówno przez samce jak i samice (za pośrednictwem samicy z pokolenia F1). Teraz załóżmy, że ta cecha znajduje się w obu chromosomach X samicy. Ta cecha będzie dziedziczona zarówno przez córki jak i synów pokolenia F1. Tak więc ta cecha, będzie różnie dziedziczona w zależności od tego czy będzie pochodziła od samicy czy od samca z pokolenia P.
W latach dwudziestych XX wieku, Morgan i jego współpracownicy kontynuowali eksperymenty (doświadczeniach z kolorem oczu u muszki owocowej) i stwierdzili, że wiele cech pojawia się łącznie chociaż nie wszystkie są powiązane z płcią. Morgan odkrył cztery zasadnicze grupy cech, które dziedziczą się łącznie, co odpowiada dokładnie liczbie par chromosomów, jakie Drosophila melanogaster posiada. Zauważył także, że jedna z grup przekazuje mniej cech niż inne. Ten fakt był powiązany z innym, mianowicie jeden z chromosomów był krótszy od pozostałych.
Morgan wywnioskował:
. występują w parach w komórkach somatycznych (komórkach ciała), a w komórkach rozrodczych występują pojedynczo
. podczas tworzenia komórek rozrodczych pary chromosomów są dzielone, tak że każda komórka rozrodcza zawiera jeden chromosom z pary. Podczas zapłodnienia tworzy się komplet genów, połowa informacji pochodzi z plemnika, połowa z komórki jajowej. W każdym komplecie jeden chromosom różni się u samic (XX) i u samców (XY). Ponieważ dziedziczenie cech było sprzężone z płcią, musiały więc być także sprzężone z chromosomami. Cechy owocówki przekazywane były z pokolenia na pokolenie w czterech powiązanych ze sobą grupach.
Samiec i samica muszki owocowej oraz ich chromosomy (trzy pary autosomów i jedna para chtomosomów płciowych).
Podstawowymi założeniami jakie postawił sobie Morgan były:
. geny są usytuowane w chromosomach
. każdy chromosom ma wiele genów
. są chromosomy związane z płcią
. geny usytuowane w jednym chromosomie są dziedziczone łącznie
. geny znajdujące się w różnych chromosomach są dziedziczone oddzielnie
Po sformułowaniu tych hipotez, Morgan zauważył pewne odstępstwa od tych reguł. Aby zilustrować te wyjątki, rozważmy dwie cechy A i B. Wszystkie geny mają dwa allele A1,A2 i B1,B2, Jeśli A1 i B1 są usytuowane w jednym chromosomie, powinny być więc dziedziczone łącznie. Ale czasami zdarza się, że następne pokolenie ma allele A1B2 i A2B1. Jak to się dzieje?
W czasie mejozy homologiczne chromosomy mają bezpośredni kontakt. Morgan postawił hipotezę, że w tym momencie dochodzi do wymiany pewnych fragmentów między nimi. W ten sposób mogą powstać nowe kombinacje alleli. Ten proces został nazwany rekombinacją lub crossing-over.
Pod koniec eksperymentów Morgan opracował trzy podstawowe twierdzenia:
. Geny są ulokowane w chromosomach. Każdy allel z pary dla wszystkich poszczególnych genów znajduje się na jednym chromosomie z pary chromosomów homologicznych. To miejsce nazywa się lokus. Geny usytułowane w tym samym chromosomie są uważne za powiązane i dziedziczone razem, aczkolwiek……
. Rekombinacja ma miejsce między homologicznymi chromosomami.
. Ilość rekombinacji pomiędzy allelami w dwóch różnych genach jest proporcjonalna do odległości między nimi w chromosomie. (tym większa częstość rekombinacji miedzy dwoma genami im większa odległość między genami w chromosomie.)
W 1922 roku Morgan i jego współpracownicy mogli zlokalizować kilkaset genów na czterech chromosomach muszki owocowej. To był pierwszy zakończony sukcesem przykład mapowania genów. Morgan w końcu mógł narysować mapę genów muszki owocowej, pokazując rozlokowanie genu dla każdej cechy na chromosomie. W 1915 Morgan i jego zespół opublikował „Chromosomową teorię dziedziczności” , a w 1926 „Teorie genów” .
Kolejnym wielkim krokiem były badania nad DNA. DNA zostało odkryte w XIX wieku. DNA, jest to skrót od kwasu dezoksyrybonukleinowy. Jest substancją chemiczną, nośnikiem życiowej informacji. Zapisuje on genetyczny kod wszystkich żywych organizmów. Dwa, bardzo ważne eksperymenty udowodniły, że DNA zawiera informacją genetyczną. W 1928 roku Frederick Griffith przeprowadził eksperyment na myszach, a w 1952 roku Alfred Hershey oraz Martha Chase przeprowadzili eksperyment na wirusach, bakteriofagach (bakteriofagi, to wirusy, które rozmnażają się wprowadzając swoją informację genetyczną do komórek bakterii).
Frederick Griffith, pracował w Ministerstwie Zdrowia w Londynie, nad szczepionką przeciwko Streptococcus pneumoniae, bakteriom, które wywołują zapalenie płuc. Na początku XX-ego wieku antybiotyki jeszcze nie istniały i zapalenie płuc było śmiertelną chorobą.
Starając się znaleźć sposób na zwalczenie tej bakterii Griffith robił eksperymenty na dwóch szczepach bakterii Streptococcus pneumoniae. Jeden z tych szczepów był śmiertelny, natomiast drugi był dużo łagodniejszy i zazwyczaj nieśmiertelny. Griffith nie był pewien co powoduje zjadliwość u jednego szczepu bakterii i łagodność u drugiego. Założył więc, co było zresztą słuszne, że zjadliwość i łagodność zależy od tego, czy bakterie wytwarzają otoczkę, czy nie. Jeden szczep, dla wygody nazywać go będę S, wytwarzał gładką otoczkę zbudowaną z cukrów. Drugi szczep, nazywać go będę R, nie wytwarzał takiej otoczki. Komórki ludzkiej krwi, białe krwinki, odpowiedzialne za niszczenie bakterii nie mogł
y pokonać bakterii ze szczepu S (czyli tych wytwarzających otoczkę). Griffith przeprowadzał doświadczenia na myszach, w celu znalezienia szczepionki. Najpierw zaraził myszy bakteriami ze szczepu S. Okazało się, że wszystkie myszy zachorowały i zdechły.
Następnie przy pomocy wysokiej temperatury zabił szczep bakterii S i wstrzyknął nieżywe bakterie myszom (zabite bakterie ze szczepu S oznaczę symbolem S-). Jak oczekiwał, okazało się, że wszystkie myszy przeżyły, żadna z myszy nie zachorowała na zapalenie płuc.
Gdy Griffith wstrzyknął myszom żywe bakterie ze szczepu R. Ponownie wynik był taki, jakiego się spodziewał myszy nie zachorowały na zapalenie płuc
Natomiast kiedy wstrzyknął myszom nieżywe bakterie ze szczepu S (czyli bakterie S-) oraz żywe bakterie ze szczepu ), myszy chorowały na zapalenie płuc i większość z nich ginęła.
Griffith zastanawiał się, co się stało i doszedł do wniosków, iż w ciele zabitych myszy, którym wstrzyknięto bakterie S- oraz R jednocześnie, znaleziono żywe bakterie ze szczepu S, natomiast nie znaleziono wcale bakterii R. Jednak jak to mogło się stać?
Były dwie możliwości. Albo bakterie ze szczepu S ożyły, co praktycznie można było wykluczyc, albo bakterie ze szczepu R nabrały zjadliwości. Griffith doszedł do wniosku, że bakterie R przyswoiły sobie otoczkę od bakterii S i nabrały zjadliwości. I te bakterie przekazały zdolność do wytwarzania otoczki następnym generacjom. Tak więc zmiana była stała i dziedziczna. Tu nasuwa się kolejne pytani:
Co spowodowało taką zmianę, że łagodny szczep bakterii nabrał zjadliwości?
Griffith podejrzewał, że łagodny szczep nie miał w swojej informacji genetycznej genu odpowiadającego za produkcję otoczki. Jednak po zetknięciu się z nieżywymi bakteriami szczepu zjadliwego łagodne bakterie pobrały od nich jakieś czynniki determinujące taką zdolność i również stały się zjadliwe. Czynniki te pochodziły od nieżywych bakterii, wynika z tego wniosek, że muszą być one przekazywane na drodze chemicznej. To zjawisko, przekazania genów z jednej bakterii do drugiej nosi nazwę transformacji.
W 1953 roku O. T. Avery i jego współpracownicy na Uniwersytecie Rockefeller udowodnili, że transformowanym czynnikiem jest DNA. Powyższy eksperyment udowodnił, że zmienność genetyczna z komórek bakterii jednego szczpu do komórek bakterii innego szczepu zachodzi za pomocą DNA.
Zanim to jednak nastąpiło, w 1952 roku Alfred Hershey i Marta Chase przeprowadzili kilka, bardzo ważnych dla rozwoju genetyki doświadczeń. Do doświadczeń używali bakteriofagów. Bakteriofagi, to takie wirusy, które rozmnażają się, wstrzykując swoje DNA do komórek bakterii, bakteriofagi użyte w tym doświadczeniu rozmnażały się na komórkach bakteri coli..
Hershey i Chase chcieli dowiedzieć się jaka część wirusa wnika do komórki bakterii – co jest potrzebne do przekazania informacji genetycznej wirusom potomnym.
Bakteriofagi użyte w doświadczeniu były przez pewien czas hodowane na pożywce zawierającej radioaktywne izotopy dwóch pierwiastków: fosforu (32P) i siarki (35S). Po kilku cyklach rozwojowych wirusy przyswoiły sobie radioaktywne izotopy pierwiastków. Izotop fosforu znajdował się w DNA. Izotop siarki natomiast znajdował się w płaszczu białkowym wirusa (płaszcz białkowy u wirusów jest zbudowany między innymi z siarki, nie występuje tam jednak fosfor).
Po następnym cyklu rozmnażania Hershey i Chase zrobili zdumiewające spostrzeżenia. Fagi wstrzyknęły informację genetyczną do komórek bakterii. Po zbadaniu pokolenia potomnego, co polegało na badaniu radioaktywności wirusów, okazało się, że wirusy zawierają jedynie radioaktywny izotop fosforu (32P), natomiast żaden z wirusów nie zawierał radioaktywnego izotopu siarki. Okazało się, że bakteriofagi wstrzykując swoją informację genetyczną do komórek bakterii wstrzykują DNA, natomiast płaszcz białkowy wirusa był porzucany. To wskazywało jednoznacznie, że do komórki bakterii wniknęło jedynie DNA i ono wystarczyło do powstania wirusów potomnych.
Badania nad chemiczną istotą genów i mechanizmami rządzącymi dziedziczeniem rozpoczęły się dopiero w połowie XX wieku, kiedy to grzyby, bakterie i wirusy zastąpiły w roli obiektów doświadczalnych rośliny i zwierzęta. To dzięki tym stosunkowo prostym formom życia stwierdzono, że kwas deoksyrybonukleinowy (DNA), kwas rybonukleinowy (RNA) oraz białka to uniwersalne czynniki określające cechy istot żywych. Szybko czyniono wielkie postępy w wyjaśnieniu mechanizmów dziedziczenia u grzybów, bakterii i wirusów, ponieważ cechy biologiczne tych organizmów ułatwiały analizę ich podłoża genetycznego. Wnioskiem płynącym z tych badań była koncepcja genu jako informacji – takiej, która rządzi wzrostem i zachowaniem istot żywych oraz decyduje o ich cechach. Koncepcja ta zakładała zarazem, że wszystkie żywe istoty dysponują mechanizmem rozszyfrowującym albo „odczytującym” informację genetyczną, a geny przechowują stale tę informację, aby rodzice mogli przekazać ją swemu potomstwu.
Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) jest związkiem chemicznym zbudowanym z długich, nie rozgałęzionych łańcuchów polinukleotydowych. Monomerem każdego z tych łańcuchów jest dezoksyrybonukleotyd. Jest on zbudowany z trzech podstawowych części. Pięciowęglowy cukier o nazwie 2-dezoksyryboza połączony jest wiązaniem N-glikozydowym z jedną z zasad azotowych. Zasad tych jest cztery: jednopierścieniowe pochodne pirymidyny, czyli cytozyna [C] i tymina [T] oraz dwupierścieniowe pochodne puryny, czyli adenina [A] i guanina [G]. Cukier jest również połączony z resztą fosforanową, nadającą związkowi silnie kwaśny charakter.
Podobnymi informacjami dysponowali Rosalinda Franklin i Maurice Williams z Kolegium Królewskiego w Londynie gdy rozpoczynali swe prace nad ustaleniem budowy DNA. Skierowali oni wiązkę promieni Roentgena na kryształ DNA. Pomiar dyfrakcji tych promieni pozwolił określić odległości między powtarzającymi się elementami strukturalnymi kwasu dezoksyrybonukleinowego. Jednoznacznie określili, iż DNA ma postać heliksy, zaś elementy strukturalne występują regularnie w odstępach 0,34 nm, 3,4nm i 2,0 nm. Analiza otrzymanych zdjęć pozwalała im na stwierdzenie, iż płaskie cząsteczki zasad azotowych ułożone są w łańcuchu polinukleotydowym w postaci stosu.
Prawie równocześnie na Uniwersytecie Columbia w USA trwały badania Erwina Chargoffa. Obliczając ilość poszczególnych zasad azotowych w DNA pochodzącym z różnych organizmów, określił on następującą prawidłowość w budowie tego związku: „ilościowy stosunek puryn do pirymidyn, a także adeniny do tyminy oraz guaniny do cytozyny jest zawsze bliski jedności dla DNA wszystkich badanych gatunków”.
Posiadając wszystkie te informacje James Watson i Francis Crick w 1953 roku przedstawili w jaki sposób zbudowana jest cząstka DNA. Uznali, iż dwa łańcuchy polinukleotydowe są ze sobą połączone i oplatają się wokół wspólnej osi. Każdy z tych łańcuchów biegnie w przeciwnym kierunku. Zaobserwowali również, że „serce” kwasu nukleinowego, czyli zasady azotowe umieszczone są wewnątrz heliksy. Na zewnątrz znajdują się fosforany oraz reszta dezoksyrybozy. Ponieważ nukleotydy charakteryzują się płaskością, naukowcy mogli śmiało stwierdzić, iż płaszczyzny zasad są prostopadłe do osi obrotu, zaś płaszczyzny cukrów równoległe. W ich teorii potwierdzenie znalazły odległości jakie podali Rosalinda Franklin oraz Maurice Wilkins. Ustalono, że średnica heliksy DNA wynosi 2,0 nm, zaś odległość od jednej zasady do drugiej (mierzona wzdłuż osi obrotu) 0,34 nm. Wynik taki sugeruje, iż kąt skrętu jest równy 36 stopni. Najważniejszą chyba zasadą jaką odkryli Watson i Crick była komplementarność par zasad. Opierając się na odkryciach Chargoffa i posługując się tekturowymi modelami nukleotydów uczeni ci odkryli, iż w DNA adenina zawsze łączy się podwójnym wiązaniem z tyminą, a guanina potrójnym wiązaniem z cytozyną. Tylko takie rozwiązanie nie kolidowało, ale potwierdzało wyniki wcześniejszych badań wielu naukowców.
Ponieważ metody analityczne umożliwiające badania bardziej złożonych organizmów wówczas jeszcze nie były dostępne, wniosków tych nie dawało się uogólnić, by odnieść je także do zwierząt i roślin. Dopiero na początku lat siedemdziesiątych rewolucyjny rozwój nowych metod badawczych przełamał bariery techniczne i pojęciowe utrudniające poznanie złożonych systemów genetycznych. Tym samym nasze spojrzenie na strukturę, organizację i funkcję genów uległo gruntownej przebudowie. To nowe spojrzenie radykalnie zmieniło rozległe obszary biologii.
Słownikowa definicja klonowania określa je jako proces polegający na wytworzeniu potomka organizmu zwierzęcego albo roślinnego, identycznego pod względem właściwości dziedzicznych. Klonowanie przeprowadzane jest w warunkach laboratoryjnych, ale można je zaobserwować również w przyrodzie, gdzie zachodzi bez jakiejkolwiek ingerencji człowieka. Wszelkiego rodzaju rozmnażanie bezpłciowe, u zwierząt i wegetatywne, u roślin, powoduje powstanie naturalnych klonów. Wyższe organizmy zwierzęce, w drodze ewolucji zrezygnowały z rozmnażania bezpłciowego na rzecz rozmnażania płciowego.
Naukowcy rozważają kilka różnych metod sztucznego klonowania organizmów. Początki prac polegały na podzieleniu blastomerów na kilka części, a wręcz na pojedyncze komórki. Operacja taka udawała się jedynie w przypadku podzielenia najmłodszych zarodków. Gdy liczba komórek blastomeru przekraczała dziesięć nie osiągano pozytywnych rezultatów. Jedyne co zyskano dzięki tym doświadczeniom, to nieco „prymitywna” stosowana do dziś metoda otrzymywania dwuosobnikowych klonów. W kilka dni po zapłodnieniu z organizmu zwierzęcia wypłukiwane są zarodki. Pod mikroskopem przecina się je na pół i ponownie wprowadza do organizmu matki. Tego typu zabiegi są obecnie dosyć szeroko stosowane na Zachodzie. W roku 1981 Amerykanka Gail Martin oraz Anglicy Martin Evans i Matthew Kaufman założyli hodowlę dzielących się komórek węzła zarodkowego myszy. Wyizolowane komórki węzła zarodkowego utrzymywane w odpowiednich warunkach hodowlanych w krótkim czasie dawały linie rosnących pierwotnych komóre
k zarodkowych. Komórki te ponieważ są niezróżnicowane mogą się przekształcić w dowolną tkankę. Krokiem naprzód było wprowadzenie takiej komórki do jamy blastocysty (uprzednio pozbawionej własnego węzła zarodkowego). Po kilku dniach utworzyły one wszystkie tkanki zarodkowe. Doświadczenie takie jako jeden z pierwszych przeprowadził polski zespół naukowców kierowany przez dr Jacka Modlińskiego z Instytutu Genetyki i Hodowli Zwierząt Polskiej Akademii Nauk w Jastrzębcu pod Warszawą. Najciekawszą metodą, zastosowaną po raz pierwszy na żabach w roku 1952 jest transplantacja jąder komórkowych (nuclear transfer). We wstępnej wersji polegała ona na pobraniu jądra komórkowego z komórki zarodnikowej dawcy i wszczepieniu go do oocytu biorcy (z oocytu wcześniej usuwane jest jego własne jądro). Do lat osiemdziesiątych poważnym ograniczeniem była konieczność używania embrionów w bardzo wczesnym stadium rozwoju. Komórki różnych tkanek w organizmie zwierzęcym posiadają co prawda komplet genów, lecz tylko niektóre z nich są aktywne. Przeniesienie jędra z wykszałconej komórki powodowało śmierć nowo powstałego organizmu. Dopiero w roku 1985 nastąpił swoisty przełom. Steen Willesden stworzył krowę poprzez transplantację jądra komórkowego z 64 i 128 komórkowego embrionu. Sukces tego doświadczenia dowiódł, iż możliwym jest użycie jądra komórki częściowo już zróżnicowanej.
Próby przeprowadzania sztucznego klonowania czyniono więc już od dawna. Ostatnio prym w badaniach nad procesem klonowania wiedzie Instytut Roślin koło Edynburga (Anglia). Jest to jedno z największych laboratoriów genetyki molekularnej i ilościowej w świecie. Prowadzone są w nim liczne badania dotyczące zwierząt hodowlanych. Zgodnie ze statutem Instytutu jego głównym celem jest: „zrozumienie i udoskonalenie produktywności, rozrodczości i zdrowia zwierząt farmowych”. Ian Wilmuth oraz Keith Campbell z innymi pracownikami Roslin Institute od połowy lat osiemdziesiątych prowadzą intensywne badania nad nowymi technikami klonowania zwierząt. Ich pierwszy większy sukces nadszedł w 1995 roku kiedy urodziły się dwie owce – Megan i Morag. Dotychczas jądro komórkowe pobierane było z komórek rozrodczych lub tych niezróżnicowanych. Sukces naukowców polegał na tym, że materiał genetyczny pobrali ze zróżnicowanej już na ektodermę komórki dziewięciodniowego embrionu. Pobrana komórka została namnożona w hodowli laboratoryjnej do liczby około 240 komórek. Z wszystkich zostały wydobyte jądra komórkowe. Jądra te zostały wszczepione do niezapłodnionych komórek jajowych, które pozbawiono własnych jąder komórkowych. Zrekonstruowane jaja wszczepiono do macicy owiec. Po siedmiu dniach od rozpoczęcia eksperymentu, liczba żywych embrionów zmniejszyła się do 34. Do momentu zakończenia ciąży (trwającej u owiec około 150 dni) dotrwało jedynie pięć owiec. Trzy z nich zmarło w kilka dni po narodzinach. Do dnia dzisiejszego w jednej ze szkockich zagród żyją dwie identyczne owieczki. Przeprowadzając ten eksperyment szkoccy naukowcy wyraźnie pokazali, iż być może jest możliwość „odmładzania” komórek, czyli spowodowania, aby dojrzałe komórki o wyspecjalizowanym materiale genetycznym, znowu zaczęły się zachowywać jak komórki rozrodcze.
Kolejnym sukcesem genetyki było sklonowanie w 1998 roku owcy Dolly. Do sklonowania Dolly doktor J. Wilmut użył cztery rodzaje owiec:
. owca pierwsza: Finn Dorset -owca, która była dawcą jądra (genetycznej informacji). Jądro zostało pobrane z komórki somatycznej wymiona Dolly. To właśnie ta owca, została w efekcie sklonowana.
. owca druga: Scotich Blacface owca dawca niezapłodnionego jądra
. owca trzeci: pośrednia mamka-nosicielka płodu
. owca czwarta: ostateczna matka, która urodziła Dolly
Przed przystąpieniem do klonowania J. Wilmut musiał odpowiednio przygotować komórki. Nie mógł połączyć komórki jajowej pozbawionej jądra z jądrem komórki somatycznej z owcy, która miała być sklonowana bez uprzedniego prawidłowego przygotowania tych komórek. Bez tego nie mogłoby nastąpić połączenie komórki z obcym jądrem. Tak więc pierwszym krokiem było przygotowania komórek.
Komórki pobrane od owcy nr 1 i 2 były przez 5 dni hodowane na odpowiedniej odżywce. Było to konieczne aby otrzymać końcowy efekt sklonowania Dolly. Dlaczego to zrobili? Z dwóch ważnych powodów:
Po pierwsze: Każda komórka ma swój naturalny cykl rozwoju. Po podziale komórka rośnie, znowu się dzieli itd.
Gdyby komórki nie były w tej samej fazie cyklu, nie mogłyby stworzyć jednej całości a eksperyment klonowania nie zakończyłby się sukcesem. Jedynym możliwym sposobem sprowadzenia obu komórek do takiego samego cyklu było zatrzymanie obu cykli.
Po drugie: Musieli zahamować różnicowanie się komórki jajowej. Jest to proces w wyniku którego powstaje embrion a dalszej kolejności jego poszczególne komórki dają początek poszczególnym tkankom: mięśniowej kostnej, itd.
Tak więc aby rozpocząć klonowanie musieli najpierw zahamować cykle komórek i nie dopuścić do ich różnicowania. Komórki musiały być zatrzymane w fazie G0 (komórka w fazie spoczynku).
Kolejnym krokiem było stworzenie nowej zygoty. Jądro z komórki jajowej usunięte zostało mikrochirurgicznie. Następnie komórka somatyczna wymiona została przeniesiona do „pustej” komórki jajowej.
Komórka jajowa jest większa niż większość innych komórek. Komórka z wymiona została umieszczona pod przezroczystą osłonką komórki jajowej. Połączenie komórek nastąpiło w wyniku elektrofuzji, procesu w którym elektryczny impuls połączył te komórki. Mimo, że jajo nie zostało zapłodnione, teraz może być nazwane zygotą (co właściwie znaczy zapłodnione jajo).
Ta zygota w wyniku kolejnych podziałów przekształciła się w zarodek. Zygota zawiera pełny zestaw chromosomów. 277 eksperymentów przeprowadzono i stwierdzono, że powstało 247 zygot. Poniżej przedstawiony jest proces różnicowania się zygot.
Zarodki były hodowane in vivo, znaczy to iż były hodowane w macicy owcy, w odróżnieniu od in vitro. Z 247 tylko 29 zygot było w stadium moruli lub blastuli. Najważniejsze stadia to:
. komórka jajowa przed zapłodnieniem
. zapłodnienie komórki – plemnik wnika do środka jaja (w przypadku Dolly zamiast plemnika wniknęła inna komórka. Drugą różnicą było to, że z komórki jajowej usunięto jądro. Komórka somatyczna, która wniknęła do środka zawierała całą informację genetyczną.)
. morula – młody organizm ma osiem komórek, zwanych blastomerami
. blastula – młody organizm jest cały czas tej samej wielkości co jajo, ale jest dużo więcej komórek.
Te zarodków były wszczepione do macic 13 owiec. Każda z tych owiec miała wszczepione po kilka zarodków. U jednej z owiec rozpoznano ciąże. Ta owca wydała na świat owcę, która nazywa się… Dolly.
Mimo wszystkich sukcesów, klonowanie jako proces wyjątkowo drogi (przykładowo sklonowanie owcy Dolly kosztowało około 750 tys. dolarów) nie będzie raczej jak na razie służył kopiowaniu zwierząt hodowlanych. Będzie wyjątkowo użyteczny w działalności firm zajmujących się zwierzętami transgenicznymi. Wystarczy przytoczyć następujący fakt: firma PPL Pharmaceuticals (jeden ze sponsorów Instytutu Roslin) na utworzenie transgenicznej krowy produkującej w swym mleku ludzkie białko alfa – laktoalbuminę, wydała grubo ponad 4 mln dolarów. Tak więc pięciokrotnie mniejsza suma jaką należy wydać aby krowę taką sklonować nie wydaje się zbyt wygórowanym wydatkiem. Po sklonowaniu Rosie (tak bowiem nazywa się transgeniczna krowa) firma PPL Pharmaceuticals będzie miała pewność, iż nowy organizm będzie genetycznie identyczny z „oryginałem”.
Nie pozostające daleko w tyle inne ośrodki badawcze świata, już w kilka miesięcy po odkryciu z Instytutu Roslin stworzyły własne klony zwierząt hodowlanych. W Advanced Cell Technology of Worecester w Stanach Zjednoczonych sklonowano świnie oraz krowy przy użyciu zmodyfikowanych genetycznie fibroblastów zarodków. Z rozwijających się płodów planowane jest pobranie komórek nerwowych, które można będzie następnie wykorzystać przy leczeniu choroby Parkinsona.
Jak zauważa dr Harry Griffin w biuletynie wydawanym przez Instytut w Roslin, proces klonowania w połączeniu z manipulacjami genetycznymi na nowo tworzonych organizmach znajduje wiele różnych zastosowań. Już od ponad dwudziestu lat przeprowadzane są transplantacje serca czy nerek. Operacje takie stały się wręcz rutyną. Stałym problemem jest jednak niedobór narządów zdolnych do przeszczepu. Tysiące pacjentów oczekujących na przeszczep musi być stale dializowanych. Inni, szczególnie oczekujący na nowe serce, często niestety nie doczekują zabiegu. Alternatywą stają się tu transplantacje organów zwierzęcych. Badania nad transgenicznymi świniami, do genomów których wprowadzone zostały ludzkie geny, są obecnie w bardzo zaawansowanym stadium. Naukowcy odkryli bowiem, że wprowadzenie genów kodujących pewne ludzkie proteiny powoduje zwiększenie zgodności organu zwierzęcego i ludzkiego. Zupełną zgodność osiągnie się prawdopodobnie dopiero po usunięciu genu kodującego glukozylotransferazę (glucosylotranferase). Białko to odpowiada za tworzenie cukru alfa – 1,3 – galaktozy. Cukier ten, nieobecny w organizmie zwierzęcym, powoduje odrzucanie przeszczepu. Problemem, który w roki 1997 ogłosili Robin Weiss z Instytutu Badań nad Rakiem w Londynie i David Onions z Uniwersytetu w Glasgow, było wykrycie retrowirusów ukrytych w komórkach świni. Okazało się, że wirusy te potrafią zarażać ludzi. W ten sposób powstała przeszkoda, której usunięcie zajmie naukowcom przynajmniej kilka lat. Gdyby w końcu udało się stworzyć świnię, której narządy wewnętrzne mogłyby służyć do transplantacji, wystarczyłoby jedynie ją klonować, otrzymując dowolnie dużą liczbę organów.
Człowiek, pomimo swego wysokiego poziomu rozwoju, posiada więc wiele cech wspólnych z innymi ssakami. Sklonowane myszy, które zostały specjalnie zmutowane, są często doskonałym modelem do obserwowania ludzkich błędów genetycznych. Podobnie jest z owcami, których fizjologia płuc jest bardzo podobna do ludzkiej. Wywołanie u klonowanych owiec choroby warunkowanej genetycznie daje możliwość dokładnych badań nad tą chorobą, która miałaby podobny przebieg i u człowieka.
Transplantacja jąder komórkowych i ogólnie proces klonowania może pozwolić na sprawdzenie jednej z teorii dotyczącej przyczyn starzenia się oraz wzrostu liczby zachorowań na raka wraz ze wzrostem wieku. Teoria ta zauważa, iż od momentu narodzin człowieka prawie każda z jego komórek ulega 20 – 30 podziałom. Niewielkie błędy w procesie replikacji DNA, zwane mutacjami zdarzające się podczas każdego podziału komórkowego są według naukowców przyczyną starzenia się oraz wzrostu liczby zachorowań na raka u osób w podeszłym wieku. Ta hipoteza może być obecnie sprawdzona dzięki zastosowaniu operacji transplantacji jądra komórkowego z komórek dorosłych organizmów. Do eksperymentów, których przeprowadzanie rozpoczęto w kilku ośrodkach badawczych na świecie, użyto jak na razie nie owiec, ale żyjących znacznie krócej myszy.
Zdrowe, nienaruszone komórki od pewnego czasu używane są do leczenia pacjentów dotkniętych wieloma chorobami takimi jak leukemia czy choroba Parkinsona. W większości przypadków komórki te muszą być pobrane od kogoś blisko spokrewnionego z chorym, aby uniknąć reakcji układu odpornościowego. Sytuacja może ulec zmianie dzięki klonowaniu. Jeśli naukowcom uda się odkryć jakie białka zawarte w cytoplazmie oocytu powodują odróżnicowanie informacji genetycznej, możliwym będzie pobranie od pacjenta grupy zdrowych komórek, przekonwertowanie ich w potrzebne organizmowi i ponowne wszczepienie. Dzięki tej metodzie, wiele chorób dotychczas nieuleczalnych, bądź których leczenie jest bardzo kosztowne, może stać się równie łatwymi do zwalczenia jak katar.
Ogłoszenie przez naukowców z Roslin Institute, iż możliwym jest sklonowanie organizmu wywołało prawdziwą burzę dyskusji w środkach masowego przekazu. Powód był prosty, bowiem pomimo iż samo klonowanie zwierząt nie stanowi niczego złego, a nawet jest pożyteczne, to klonowanie ludzi może stać się niebezpieczne. Obawiano się, iż możliwym stanie się „wskrzeszenie” zmarłych przed laty ludzi. Szczególnie przerażała wizja namnożenia ludzi pokroju Stalina czy Hitlera. Obawy tego typu można jednak stosunkowo szybko rozwiać. Sklonowany człowiek, o ile w ogóle taki by powstał, byłby co prawda fizycznie identyczny z organizmem dawcy materiału genetycznego, ale jego psychika i osobowość byłaby zupełnie inna. Na kształtowanie sfery duchowej człowieka wpływa bowiem ogromna ilość czynników, takich jak środowisko w którym się wychował, to czego się nauczył i wiele innych. Sam proces klonowania wymagałby uczestnictwa ponad 300 kobiet, co stanowi skuteczną zaporę przed rozpoczynaniem prób. Odmiennym problemem jest tworzenie klonów organizmu ludzkiego, wyłącznie jako źródła narządów do transplantacji. W tym względzie naukowcy są na szczęście zgodni, iż postępowanie takie godziłoby we wszelkie zasady etyczno – moralne.
