Geny i chromosomy 3: geny, białka i mutacje

Introduction

The blueprint for constructing and operating the human body is stored in sequences of deoxyribonucleic acid (DNA) called genes. Ta informacja genetyczna jest wykorzystywana do tworzenia białek o różnych funkcjach, od białek strukturalnych niezbędnych do budowy mięśni, kości i skóry do enzymów, które katalizują reakcje biochemiczne niezbędne do przetrwania organizmu. Błędy w kodzie genetycznym człowieka, zwane mutacjami, czasami prowadzą do produkcji nieprawidłowych białek, które mogą powodować choroby, w tym choroby autoimmunologiczne i nowotwory złośliwe.

Białka

Białka są niezbędne zarówno do budowy, jak i funkcjonowania ludzkiego ciała. Te złożone makrocząsteczki są zbudowane z bloków konstrukcyjnych zwanych aminokwasami, prostych związków organicznych zawierających grupę karboksylową (-COOH) i aminową (-NH2). Istnieje 20 naturalnie występujących aminokwasów (ramka 1); inne warianty mogą być wytwarzane syntetycznie w laboratorium.

Aminokwasy

Aby sprawnie funkcjonować, ludzkie komórki muszą nieustannie budować nowe białka, aby zastąpić starsze, uszkodzone. Wymaga to stałego dostarczania wszystkich 20 aminokwasów. Podczas trawienia, przewód pokarmowy sekwencyjnie rozbija duże białka zwierzęce i roślinne zawarte w żywności na polipeptydy, peptydy i ostatecznie na „wolne” aminokwasy, które są w stanie przekroczyć ścianę jelita, aby zostać wchłonięte do krwiobiegu (VanPutte i in., 2017).

Naturalnie występujące aminokwasy (Ramka 1) są podzielone na dwie kategorie:

• Niezbędne – dziewięć aminokwasów, których komórki ludzkie nie mogą syntetyzować, a więc muszą uzyskać bezpośrednio z żywności;
• Niezbędne – 11 aminokwasów, które komórki ludzkie mogą syntetyzować, jeśli bezpośrednia podaż poprzez dietę jest niska.

Ta terminologia może być myląca, ponieważ tak zwane aminokwasy nieistotne są w rzeczywistości niezbędne do budowy białek; termin ten jest jedynie używany do oznaczenia faktu, że nie muszą być one uzyskane z diety.

Jeśli odpowiednie odżywianie jest utrzymywane poprzez zdrową i zrównoważoną dietę, komórki otrzymują aminokwasy wymagane do obrotu białek. Jednak zła dieta, zaburzenia odżywiania, niektóre leki i proces starzenia się (który może zmniejszyć apetyt) mogą ograniczyć dostępność dietetyczną aminokwasów, zwłaszcza dziewięciu niezbędnych. Narusza to zdolność organizmu do wymiany białek, potencjalnie prowadząc do utraty mięśni i chorób.

Odmiany białek

Białka stanowią największy organiczny składnik ludzkiego ciała, stanowiąc około 50% suchej masy typowej ludzkiej komórki (Radivojac, 2013). Są one syntetyzowane w cytoplazmie komórek, gdzie aminokwasy są łączone ze sobą wiązaniami peptydowymi, tworząc długie rozgałęzione łańcuchy, których liczba waha się od kilku aminokwasów do tysięcy. Te łańcuchy aminokwasów dalej składają się lub skręcają w unikalne trójwymiarowe konfiguracje, które muszą przyjąć, aby spełnić swoje wyznaczone role w organizmie (VanPutte i in., 2017).

Największym obecnie znanym białkiem w ludzkim ciele jest białko mięśniowe o nazwie cytyna (lub connectin), które składa się z około 33 000 aminokwasów. Działa ono jak molekularna sprężyna i uważa się, że przyczynia się do siły skurczu mięśni (Powers i in., 2014).

Projekt genomu ludzkiego wykazał, że ludzie mają nieco poniżej 20 000 genów strukturalnych kodujących poszczególne białka. Jednak każdy gen może dać początek do 100 wariantów białka, które koduje, więc w ludzkim organizmie może występować do dwóch milionów różnych odmian białek (Ponomarenko i in., 2016).

Przykłady powszechnie występujących białek obejmują:

• Aktyna i miozyna – białka kurczliwe występujące w mięśniach;
• Keratyna – gęste białko występujące we włosach, paznokciach i naskórku skóry;
• Kolagen – białko strukturalne ogólnego przeznaczenia (używane np. do budowy szkieletu chrząstki i kości), które może występować w różnych formach włóknistych;
• Hormony białkowe, takie jak insulina lub glukagon – zwykle w postaci krótkich łańcuchów zwanych peptydami, krążą we krwi i działają jak chemiczni posłańcy;
• Kataboliczne enzymy trawienne, takie jak pepsyna, trypsyna i amylaza – pomagają w trawieniu i rozbijaniu makrocząsteczek żywności na proste składniki, które organizm może wchłonąć;
• Anaboliczne enzymy, takie jak polimeraza DNA, polimeraza kwasu rybonukleinowego (RNA) i syntaza glikogenu – biorą udział w budowie cząsteczek DNA, RNA i glikogenu (skrobi zwierzęcej);
• Haemoglobina – bierze udział w transporcie tlenu i dwutlenku węgla w czerwonych krwinkach (erytrocytach);
• Przeciwciała, często nazywane immunoglobulinami – małe białka w kształcie litery Y, które odgrywają kluczową rolę w układzie odpornościowym, wiążąc się z obcym materiałem, a tym samym oznaczając go do zniszczenia;
• Neuroprzekaźniki – małe białka, które działają jako chemiczni posłańcy w układzie nerwowym (na przykład substancja P);
• Receptory neuroprzekaźników – te (na przykład receptor acetylocholiny) odbierają wiadomości od neuroprzekaźników.

Rybosomy

Białka są syntetyzowane w komórkach przez rybosomy, małe organelle gęsto ułożone i osadzone w retikulum endoplazmatycznym (ER) cytoplazmy. ER jest systemem spłaszczonych, połączonych ze sobą błon i większość jego powierzchni pokrywają rybosomy, nadając mu szorstki, nierówny wygląd, który doprowadził do tego, że region ten znany jest jako szorstki ER. Tutaj rybosomy „tłumaczą” kod genetyczny poprzez składanie aminokwasów w celu utworzenia białek (Lewis, 2018).

Rybosomy składają się głównie z wyspecjalizowanej formy RNA zwanej rybosomalnym RNA (rRNA), która jest stabilizowana przez niewielkie ilości białka, które również pomagają złożyć same rybosomy (De la Cruz i in., 2015). W pojedynczej komórce ludzkiej tysiące rybosomów może w każdej chwili aktywnie konstruować białka.

Od genów do białek

Geny strukturalne zawierają sekwencje DNA określające sekwencje aminokwasów w białkach. Geny regulatorowe (lub regulacyjne) kontrolują, które geny strukturalne ulegają ekspresji („włączeniu”) w danej tkance.

Używanie informacji genetycznej zawartej w DNA do budowy białek obejmuje kilka odrębnych etapów:

• Transkrypcja;
• Modyfikacja potranskrypcyjna;
• Translacja;
• Modyfikacje potranslacyjne.

Transkrypcja

Informacja genetyczna przechowywana w jądrze komórki musi być dostarczona do rybosomów w cytoplazmie. Wewnątrz jądra komórkowego DNA występuje w postaci ogromnych podwójnych heliksów. Cząsteczki DNA są zbyt duże, aby mogły być przekazane bezpośrednio rybosomom, więc informacja genetyczna przechowywana w DNA musi być skopiowana na mniejszy, bardziej ruchomy nośnik – proces ten nazywamy transkrypcją.

Podczas transkrypcji sekwencja genu kodująca białko jest kopiowana z dwuniciowego DNA na jednoniciowe RNA (ryc. 1). Jednoniciowe cząsteczki RNA są znacznie mniejsze niż cząsteczki DNA i dlatego mogą przechodzić przez maleńkie pory błony jądrowej. Rolą cząsteczki RNA będzie dostarczenie instrukcji budowy białka do rybosomu. Ponieważ ta forma RNA przenosi informacje z jądra do cytoplazmy, nazywana jest messenger RNA (mRNA).

Podobnie jak DNA, RNA zbudowane jest z zasad nukleotydowych, ale w przeciwieństwie do DNA nie posiada zasady tyminy. W RNA tymina jest zastąpiona przez inną zasadę nukleotydową zwaną uracylem. Zasady parowania zasad w transkrypcji różnią się więc nieco od zasad parowania zasad w replikacji DNA (Ramka 2).

Proces transkrypcji DNA jest bardzo podobny do procesu replikacji DNA (patrz część 2) i obejmuje następujące etapy:

• Ezym polimeraza RNA wiąże się z początkiem sekwencji genowej DNA (zwanej również sekwencją promotorową);
• Polimeraza RNA odwija niewielki fragment podwójnej helisy DNA, aby uczynić ją jednoniciową (proces często opisywany jako analogiczny do rozpinania zamka błyskawicznego) – niewielki obszar odwijającego się jednoniciowego DNA nazywany jest pęcherzykiem transkrypcyjnym (VanPutte i in., 2017);
• Tylko jedna z odsłoniętych nici DNA przechowuje użyteczną informację do skonstruowania białka – ta nić jest wykorzystywana jako szablon do transkrypcji;
• Polimeraza RNA syntetyzuje komplementarną nić mRNA wykorzystując zasady parowania zasad transkrypcji.

W ramce 3 przedstawiono przykład transkrypcji.

Modyfikacje potranskrypcyjne

Nie wszystkie informacje zakodowane w nici mRNA są przydatne do skonstruowania białka. Nowo transkrybowana nić RNA składa się z dwóch elementów:

• Eksony – sekwencje zawierające informacje niezbędne do budowy białka, które ma prawidłową sekwencję aminokwasów;
• Introny – sekwencje, które przerywają sekwencje kodujące eksony i zwykle nie zawierają informacji przydatnych do budowy białka. Niegdyś uważane za sekwencje śmieciowe, introny odgrywają obecnie rolę w regulacji ekspresji genów (Chorev i Carmel, 2012).

Introny muszą zostać wycięte, a egzony splecione razem, aby utworzyć ciągłą sekwencję mRNA o „wysokiej wierności”: to cięcie i splicing – zwane modyfikacją posttranskrypcyjną – jest wykonywane przez enzymy w jądrze. Proces ten jest przedstawiony na Rys. 2.

Natura kodu genetycznego

Kod genetyczny jest trypletem trzech zasad azotowych kodujących jeden aminokwas. Ponieważ istnieje 20 naturalnie występujących aminokwasów, trzy zasady pozwalają na to, aby każdy aminokwas był reprezentowany przez jeden kod tripletu (a niektóre są reprezentowane więcej niż raz). Kod tripletowy pozwala również na zakodowanie instrukcji „start-and-stop” w nici mRNA, dzięki czemu rybosomy wiedzą, kiedy rozpocząć i kiedy zakończyć budowę białka.

Każdy ciąg trzech zasad (kod tripletowy) na nici mRNA nazywany jest kodonem. Pierwszy kodon na każdej nici mRNA jest zawsze kodonem „startu” – zwanym AUG – który instruuje rybosom do rozpoczęcia syntezy białka. Ponieważ AUG koduje również aminokwas metioninę, metionina jest pierwszym aminokwasem włączonym do białka – jeśli nie jest faktycznie potrzebna, zostanie usunięta później (Xiao i in., 2010).

Same aminokwasy są dostarczane do rybosomów przez cząsteczki transferowego RNA (tRNA). Każdemu aminokwasowi odpowiada unikalna cząsteczka tRNA, a każda cząsteczka tRNA ma swój unikalny kod tripletowy, który odpowiada kodonowi na nici mRNA. Te sekwencje tRNA uzupełniają kodony mRNA i dlatego nazywane są antykodonami (VanPutte i in., 2017).

Translacja

Po transkrypcji i modyfikacji potranskrypcyjnej powstaje dojrzała, nieprzerwana sekwencja mRNA. Po wprowadzeniu do cytoplazmy sekwencja ta przyłącza się do rybosomu i może być wykorzystana do syntezy białka w procesie zwanym translacją.

Translacja DNA (Rys. 3) zachodzi w serii kroków:

• Nić dojrzałego mRNA przyłącza się do rybosomu;
• Trzy zasady na nici mRNA (kodon) zostają odsłonięte na rybosomie – na przykład AUG (kodon „start”, który koduje również metioninę);
• Cząsteczka tRNA przybywa do rybosomu, wyrównuje swój antykodon do kodonu na nici mRNA i dostarcza odpowiedni aminokwas – na przykład, dla kodonu „start” AUG, odpowiedni antykodon UAC dostarcza metioninę;
• Skrętka mRNA przesuwa się wzdłuż rybosomu o trzy zasady, odsłaniając następny kodon, po czym przybywa następna cząsteczka tRNA ze swoim komplementarnym antykodonem i dostarcza kolejny aminokwas;
• Wiązania peptydowe tworzą się między każdym sąsiadującym aminokwasem i zaczyna się tworzyć łańcuch białkowy;
• Skrętka mRNA kontynuuje przesuwanie się wzdłuż rybosomu o trzy zasady na raz, odsłaniając każdy kodon po kolei. Cząsteczki tRNA z odpowiednimi antykodonami nadal dostarczają aminokwasy, nadal tworzą się wiązania peptydowe, a łańcuch białkowy nadal się wydłuża;
• W końcu na końcu nici mRNA zostaje osiągnięty kodon „stop” (UAA, UAG lub UGA) i synteza białka zostaje zatrzymana – proces translacji DNA doprowadził do powstania surowego białka.

Modyfikacje potranslacyjne

Białko surowe zwykle musi zostać zmodyfikowane, zanim przyjmie swoją ostateczną konfigurację 3D i zacznie pełnić swoją funkcję w organizmie. Modyfikacje te zachodzą w cytoplazmie w organelli zwanej aparatem Golgiego (znanym również jako ciało Golgiego lub po prostu Golgi), który jest często opisywany jako „obszar pakowania i eksportu” komórki.

Białka ulegają następującym modyfikacjom potranslacyjnym:

• Surowa wersja białka jest pakowana do małego, związanego z błoną woreczka, pęcherzyka transferowego;
• Pęcherzyk transferowy opuszcza szorstkie ER i migruje do aparatu Golgiego;
• W aparacie Golgiego surowe białko jest rafinowane, co często wiąże się z dodaniem reszt cukrowych do łańcucha aminokwasów poprzez glikozylację (Huang i Wang, 2017) – wiele białek w organizmie ludzkim to w rzeczywistości glikoproteiny (białka z dodanym cukrem);
• Uszlachetnione białko opuszcza aparat Golgiego i jest albo wykorzystywane w komórce, albo pakowane do pęcherzyka wydzielniczego w celu eksportu;
• Białka przeznaczone do eksportu są odprowadzane z komórki, ponieważ ich pęcherzyk wydzielniczy łączy się z błoną plazmatyczną.

Eksportowane białka mogą być wykorzystywane w tkance lokalnie lub transportowane do odległych regionów ciała przez krew. Na przykład hormon insulina, syntetyzowany w komórkach beta trzustki, jest uwalniany bezpośrednio do krążenia, gdy poziom glukozy we krwi wzrasta. Następnie funkcjonuje jako chemiczny posłaniec wiążący się z receptorami (które same są białkami) na wielu ludzkich komórkach, instruując je, aby pobierały glukozę, normalizując w ten sposób stężenie glukozy we krwi.

Mutacje

Białka, aby funkcjonować prawidłowo, muszą mieć prawidłowe sekwencje aminokwasów, co ostatecznie opiera się na tym, że kod genetyczny pozostaje niezmienny. Jednak w ludzkim genomie jest tak wiele zasad nukleotydowych (około trzech miliardów par zasad), że niezmiennie pojawiają się błędy. Błędy te określane są mianem mutacji i mogą prowadzić do wytworzenia białek, które mogą nie funkcjonować prawidłowo. Nieprawidłowe białka są związane z różnymi chorobami, w tym z niektórymi formami chorób autoimmunologicznych i nowotworów złośliwych.

Mutacje genetyczne mogą występować losowo w następstwie błędów w replikacji DNA (opisanych w części 1 tej serii), szczególnie w miarę starzenia się organizmu; alternatywnie, mogą być spowodowane przez czynniki środowiskowe, które bezpośrednio uszkadzają cząsteczki DNA. Wszystko, co może uszkodzić DNA i prowadzić do mutacji, nazywane jest mutagenem (VanPutte i in., 2017). Wiele mutacji genetycznych występuje w odcinkach DNA, które nie kodują białek (na przykład w niekodujących intronach), więc zwykle mają niewielki wpływ na funkcję fizjologiczną.

Faktory, o których wiadomo, że uszkadzają DNA, a tym samym zwiększają ryzyko mutacji, obejmują:

• Podwyższający się wiek;
• Zanieczyszczenia;
• Infekcje – zwłaszcza wirusowe, ponieważ wirusy często wstawiają swoje geny do ludzkiego DNA, potencjalnie przerywając sekwencje genów;
• Radiacje – na przykład promieniowanie ultrafioletowe (UV) ze słońca lub promieniowanie rentgenowskie z obrazowania medycznego.

Światło UV ze słońca (szczególnie UVB) jest znane z uszkadzania DNA w komórkach skóry. Jeśli dojdzie do mutacji w genach kontrolnych, które regulują podział komórek lub w genach, które kodują enzymy naprawcze DNA, wynikiem może być niekontrolowany podział komórek i rak skóry (Hopkins, 2015). Chociaż ludzka skóra wystawiona na działanie promieni słonecznych wytwarza własną naturalną ochronę przed promieniowaniem UV w postaci melaniny (ciemnego pigmentu, który opala skórę), zubożenie warstwy ozonowej i nadmierny czas przebywania na słońcu mogą prowadzić do szkodliwych dawek promieniowania UV, które zwiększają ryzyko zachorowania na raka skóry. Filtry przeciwsłoneczne zapewniają lepszą ochronę przed promieniowaniem UV i wykazano, że znacznie zmniejszają uszkodzenia skóry wywołane promieniowaniem UV oraz nowotwory skóry (Green i Williams, 2007).

Mutacje, takie jak te wywołane promieniowaniem UV w DNA w skórze, nie są zazwyczaj przekazywane z pokolenia na pokolenie. Jednakże, gdy mutacje wpływają na komórki germinalne jąder i jajników, mogą być dziedziczone przez potomstwo. W ludzkich komórkach germinalnych odnotowano ponad 100 000 mutacji, z których wiele jest związanych z powszechnymi dziedzicznymi chorobami genetycznymi (Vipond, 2013; Cooper i in., 2010). Niektóre z nich zostaną zbadane w czwartym i ostatnim artykule w tej serii.

.