Tożsamość genu

Gromadzenie nowych danych o mechanizmach wewnątrzkomórkowych i roli DNA w tych procesach powoduje niejasności dotyczące granic pojęcia genu. Obecnie termin gen jest używany i definiowany na różne sposoby i może odnosić się do wielu różnych struktur, zjawisk i procesów wyróżnianych zależnie od celów badawczych. Niejasność w kwestii granic tego, co można poprawnie nazwać genem nie musi być przeszkodą w badaniach i w wymianie informacji pomiędzy biologami. Pojęcie można rozumieć na różne sposoby, pod warunkiem, że jego użytkownicy mają jasność, jakim znaczeniem się posługują. Pewna nieokreśloność znaczeniowa może mieć nawet wartość heurystyczną, umożliwiając porównywanie różnych kontekstów eksperymentalnych, a w konsekwencji badania nowych zjawisk. Brak jasności w sprawie definicji tak kluczowych pojęć jak „gen" może jednak prowadzić do nieporozumień w wymianie opinii na skalę wykraczającą poza wybraną instytucję badawczą, a także do różnic w rozumieniu całości wiedzy biologicznej i konsekwencji praktycznych odkryć biologicznych. Z punktu widzenia społecznej nośności pojęcia genu zagrożenie to jest tym poważniejsze, że wiedza o „złych" genach niejednokrotnie wpływa na życiowe decyzje jednostek.

Tradycyjna definicja genetyczna mówi o dziedzicznym elemencie fenotypu, niezależnie od tego w jaki sposób informacja niezbędna dla jego powstania jest kodowana. Gen może być na przykład odcinkiem chromosomu powiązanym z cechą fenotypową. Klasyczna definicja molekularna określa gen jako odcinek DNA kodujący polipeptyd ^{[ 1 ]}. Węższa od niej jest definicja molekularna, która zakłada jedność struktury i funkcji oraz bezpośrednią zależność informacyjną pomiędzy DNA i polipeptydem. Według definicji molekularnej gen to odcinek DNA wraz z bliskimi sekwencjami regulatorowymi (promotor, sekwencja 3' końca), co pozwala określić gen jako „jednostkę transkrypcji", czy "segment genomu odpowiedzialnego za wytworzenie funkcjonalnego produktu (polipeptydu lub RNA)".

W świetle nowych odkryć biologii molekularnej, wskazujących na istnienie złożonych współzależnych i wzajemnie warunkujących się procesów związanych z powstawaniem polipeptydu, nawet ta zmodyfikowana definicja klasyczna staje się niewystarczająca. Przede wszystkim statyczna i prosta zależność pomiędzy sekwencją DNA a sekwencją polipeptydu jest uproszczeniem. Wskazuje na to szereg zjawisk, w rodzaju nakładających się genów, istnienia alternatywnych promotorów, odległych sekwencji wzmacniających i wyciszających, alternatywnego składania transkryptów i poliadenylacji, rekombinacji somatycznej, redagowania mRNA, nieprawidłowego korygowania transkryptów, funkcjonalnego znaczenia ncRNA, alternatywnego fałdowania białek czy złożonych procesów regulacji epigenetycznej ^{[ 2 ]}. Nie jest także prawdą, że większość informacji genetycznej ulega ekspresji w postaci białek (przynajmniej w organizmach wyższych) — wydaje się, że jest wręcz odwrotnie. Pomiędzy genem a funkcją mają miejsce niezwykle złożone procesy, które tylko w części zależą od innych genów.

Definicja genu powinna obejmować przynajmniej cały zespół transkrypcyjny (transcrption cluster), definiowany jako miejsce genomu, wytwarzające z tej samej nici DNA jeden lub więcej zbliżonych transkryptów (wraz z elementami cis-aktywnymi). Wspomniany region może kodować jedno lub więcej białek i/lub jeden lub więcej funkcjonalnych RNA. Rozbudowana definicja molekularna nie obejmuje np. zjawiska nakładających się transkryptów, które kodować mogą różne produkty, czy zjawiska tworzenia różnych mRNA w wyniku trans-splicingu (wspólnego składania różnych mRNA). Nie jest też jasne czy ta definicja obejmuje np. nakładające się transkrypty antysensowne, które mogą uczestniczyć we wzajemnej regulacji w układzie cis, a które należy uznać za części tego samego genu według definicji molekularnej ^{[ 3 ]}. Nie jest oczywiste czy ncRNA mogą wchodzić w zakres definicji genu, którego aktywność regulują. Współczesna definicja molekularna zawiera pewne podstawowe określenie genu, a jednocześnie dopuszcza dużą zmienność w rozumieniu tego terminu.

Wspomniane fakty pokazują, że w organizmach wyższych informacja genetyczna kodowana jest w wysoce skomplikowany sposób, a jej odczytywanie nie jest jedno-jednoznaczne. Słowo gen wskazuje ponadto nie tylko na sekwencję DNA, lecz również na istnienie zależności przyczynowej pomiędzy fragmentem DNA a sekwencją zjawisk prowadzących do powstania białka bądź funkcjonalnego RNA.

Dotychczasowe próby określenia pojęcia genu, włączając w to przedstawioną powyżej rozbudowaną koncepcję molekularną, koncentrowały się na sekwencji kwasu nukleinowego, zaangażowanej przyczynowo w syntezę polipeptydu bądź funkcjonalnego RNA. Pojęcia te można określić wspólnym mianem: pojęcia genu jako DNA (DNA centered gene concept). Wprowadzane do definicji odniesienia do różnych funkcjonalnie istotnych czynników, dotyczą tu zawsze fragmentów DNA, niezbędnych do syntezy polipeptydu lub funkcjonalnego RNA ^{[ 4 ]}.

Pojęcie "genu jako DNA" opiera się na przekonaniu, że sekwencje DNA są czymś bardziej realnym, bardziej znaczącym przyczynowo i ważniejszym dla syntezy polipeptydu, niż inne czynniki przyczynowe. Geny w tej koncepcji uznawane są za najistotniejszy czynnik wyjaśniający w biologii, ze względu na zdolność przyczynowego warunkowania rozwoju, powodowania zaburzeń funkcji (choroby) czy określania zmian populacji w czasie (ewolucja) ^{[ 5 ]}. Geny uznawane są za źródło informacji regulującej powstawanie cechy, podczas gdy innym przyczynom przyznaje się rolę podrzędnych czynników materialnych ^{[ 6 ]}. Informacja, którą dostarczają geny jest uznawana za ważniejszą, zasadniczo niezmienną i bardziej niezależną od kontekstu, w porównaniu z innymi czynnikami. Innymi słowy sekwencja genu określa plastyczność cechy, pojedynczą „normę reakcji" produktu genowego w różnych warunkach otoczenia ^{[ 7 ]}.

Przekonanie o dominującej roli DNA opiera się na dwu twierdzeniach, powtarzanych nie tylko w popularnych mediach, lecz i w podręcznikach akademickich. Pierwsze głosi, że DNA jest zdolne do samopowielania, drugie, że DNA kieruje syntezą białek. Jednak oba te twierdzenia są fałszywe, z czego zdaje sobie sprawę każdy biolog. DNA nie jest zdolny do powielania bez obecności skomplikowanej maszynerii białkowej, prowadzącej cały proces replikacji. W istocie ma miejsce tylko kopiowanie obu nici istniejącego w komórce DNA przez skomplikowany kompleks białkowy. Błędy powstające w trakcie kopiowania są poprawiane przez wspomnianą maszynerię białkową. DNA jest cząsteczką bierną biochemicznie, niezdolną do prowadzenia reakcji powstawania białka. DNA określa jedynie liniową sekwencję aminokwasów nowo powstającego białka, lecz synteza ta następuje w wyniku działania skomplikowanego systemu białkowego. Polipeptyd nie jest jednak równoznaczny z funkcjonalnym białkiem, gdyż musi zostać w różny sposób przekształcony, w procesach które w części zależą od otoczenia komórkowego. Zatem gen (tu: DNA) nie jest „nadrzędną, autonomiczną cząsteczką", lecz raczej zintegrowanym z całością komórki magazynem informacji o sekwencji aminokwasów nowych białek. Informacja ta uruchamiana jest i realizowana w skomplikowanych procesach prowadzonych przez białka, w uorganizowanej przestrzeni cytoplazmy ^{[ 8 ]}. Informacja niezbędna do powstania białka może mieć także naturę architektoniczną, przenoszoną przez kształty i struktury cząsteczek, macierzy cytoplazmatycznej, organelli komórkowych, a w przypadku np. roślin także ściany komórkowej ^{[ 9 ]}.

Wielokrotnie pojawiały się głosy biochemików, cytologów czy embriologów, że odpowiedz o pytanie o istotę życia nie jest tak prosta, jak chciał Francis Crick, kiedy 50 lat temu, po zaproponowaniu struktury DNA zakrzyknął „Odkryliśmy tajemnicę życia" ^{[ 10 ]}. Obecnie istnieje szereg wskazówek, pozwalających oszacować złożoność komórki, postęp teoretyczny i praktyczny wymaga jednak ponownego zdefiniowania takich podstawowych pojęć jak: gen, jednostka funkcjonalna, genom, szlak biochemiczny czy moduł funkcjonalny. Jasne definicje tych pojęć pozwolą nie tylko lepiej zrozumieć rzeczywistość, ale też ustalić, które z poznawanych procesów i całości są rzeczywiste, a które są jedynie konstrukcjami naszego umysłu.

Jak przedstawiono wyżej kod genetyczny jest regułą łączącą kodony w DNA, z konkretnymi aminokwasami w polipeptydzie. Gdy mówi się o kodzie genetycznym, zwłaszcza w dyskursie publicznym, często domyślnie przyjmuje się perspektywę „instrukcji" i „programu". Idea kodu genetycznego wpływa przede wszystkim na rozróżnienie między genetycznymi i pozagenetycznymi czynnikami przyczynowymi. Uznaje się wówczas, że wyróżnione ze wszystkich szlaków przyczynowych wiodących do powstawania cech czy rozwoju organizmu, są tylko te szlaki, które obejmują ekspresję zapisu genetycznego. Taka interpretacja nie ma jednak uzasadnienia ani teoretycznego, ani doświadczalnego. Można powiedzieć, że geny określają sekwencje aminokwasową konkretnych polipeptydów, lecz nie kodują one złożonych cech organizmu. Nawet struktura przestrzenna poszczególnych białek nie jest „kodowana" przez DNA, gdyż wymaga istnienia wielu przyczynowych oddziaływań na poziomie komórki i organizmu. Bez wątpienia geny, poprzez fakt określania sekwencji aminokwasów polipeptydu uczestniczą przyczynowo w procesie powstawania cech.

„Kodowanie" (wytwarzanie polipeptydu) jest jednak częścią szerszych zjawisk i procesów leżących u podstaw np. różnicowania organizmu czy powstawania zdolności mowy, zatem stosowanie terminologii semantycznej nie więc uzasadnione. Kod genetyczny jest więc regułą przyczynowej specyficzności, a nie regułą interpretacji, reprezentacją czy instrukcją. Godfrey-Smith zwraca uwagę, że nie zaprzecza znaczeniu kodu genetycznego, lecz wskazuje, że właściwie rozumiany jest częścią molekularnych procesów komórkowych. Wraz z utworzeniem liniowej sekwencji aminokwasów białka kończy się rola kodu genetycznego. Idea kodu genetycznego nie przyczyniła się do powstania szerokich teoretycznych koncepcji, zmierzających do zrozumienia zjawisk rozwoju i ewolucji. Wręcz przeciwnie, spowodowała błędne rozróżnienie pomiędzy cechami kodowanymi przez geny (istotnymi ewolucyjnie) i nie kodowanymi przez geny (nieistotnymi w ewolucji). Kod genetyczny nie jest dobrą podstawą do analizy różnic między cechami dziedzicznymi, a nabytymi ^{[ 11 ]}.

Godfrey-Smith przeprowadził bardzo interesujący eksperyment myślowy, wskazujący, że można wyobrazić sobie świat, niewiele różny od rzeczywistego, w którym nie istnieje kod genetyczny (w ścisłym, nie semantycznym, znaczeniu) ^{[ 12 ]}. Otóż przyjmuje on (podobnie jak czynili to np. Astbury czy Delbruck przed odkryciem struktury DNA), że materialnym podłożem genu są cząsteczki białkowe, a ich powielanie polega na rozprostowaniu struktury przestrzennej i dobudowaniu za pośrednictwem „cząsteczek łącznikowych" identycznej cząsteczki polipeptydu. W takim systemie nie istniałby kod genetyczny. Gen nie zawierałby żadnej reprezentacji polipeptydu, byłby po prostu wzorcową próbką, matrycą. Dalsze elementy łańcuchów przyczynowych, regulacji aktywności takich genów, dalsze etapy powstawania cech, różnicowania, dziedziczenia, czy ewolucji, byłyby jednak analogiczne jak w świecie rzeczywistym. Geny takie mogłyby również uczestniczyć w „programach genowych" oraz „programach rozwojowych", oddziaływać z otoczeniem, będąc jednocześnie ukryte w jądrze komórkowym. Niemniej, dziedziczenie „białkowych genów" polegałoby nie na przekazywaniu informacji, lecz na przekazywaniu matrycy.

Eksperyment ten wskazuje, że determinizm genetyczny jest w dużej mierze (choć nie wyłącznie) wynikiem semantycznej interpretacji procesów dziedziczenia i powstawania cech. Ponadto, jak pisze James Shapiro: „Istnieje wiele różnych kodów genetycznych, poza podstawowym kodem trójkowym, oznaczającym aminokwasy. Inne rodzaje kodów określają wiele różnych funkcji genomu, takich jak replikacja, transkrypcja, rekombinacja, upakowanie DNA i organizacja chromatyny, lokalizacja chromosomów, ich parowanie w mejozie oraz rozdział [do komórek potomnych] ^{[ 13 ]}." najdłuższym, ontologicznie rzeczywistą podjednostką wydaje się tylko kodon. Natomiast terminy „operon", „region kodujący", „ekson", „intron", a nawet „gen" nie oznaczają w sposób konieczny funkcjonalnych jednostek w DNA, lecz stanowią w dużej mierze konstrukcje teoretyczne, umożliwiające organizowanie badań i stawianie hipotez.

Przykładem teoretycznych trudności w opisywaniu rzeczywistych zjawisk mogą być np. kontrowersje wokół "onkogenów. Jednym z deklarowanych celów HUGO było właśnie wyizolowanie genów odpowiedzialnych za proces onkogenezy, od etapu promocji do powstawania przerzutów. Spodziewano się, że geny te można będzie opisać, sklasyfikować i powiązać z charakterystycznymi typami nowotworów. Od tego czasu stosunkowo dobrze poznano wczesne etapy powstawania nowotworów. Scharakteryzowano szereg onkogenów, lecz żaden z nich nie jest naturalnie czy fizjologicznie wyodrębnioną całością, podobnie jak całością taką nie jest nowotwór. Nowotwór nie jest bowiem procesem fizjologicznym, lecz zakłóceniem procesu. O ile normalny proces fizjologiczny można opisać za pomocą pewnych parametrów mieszczących się w pewnych granicach zmienności, to procesy zakłócone mogą przyjmować bardzo wiele odmian. „Onkogeny" to zatem sztuczna konstrukcja biologów i lekarzy, nie mówiąca nic (lub niewiele) o procesach rozwojowych przebiegających w komórce. Termin ten nie jest neutralny i nie opisuje rzeczywistości, lecz jest jedynie materializacją pewnej idei. W pewnym sensie kształtuje jednak dyskusję i hipotezy dotyczące powstawania nowotworów, także w dyskursie publicznym. Obecnie obserwuje się przesunięcie zainteresowań badawczych w onkologii, tak że nadzieje wiąże się z poznawaniem zmian wzoru całościowej transkrypcji komórki nowotworowej (co jest również uproszczeniem) ^{[ 14 ]}.

Analogiczne problemy dotyczą np. „genów związanych z rozwojem", genów o działaniu pleiotropowym, genów szlaków przekazywania sygnałów komórkowych. Na poziomie molekularnym funkcja produktu genu np. białka, może polegać na wiązaniu się z konkretną sekwencją DNA. Pleiotropia, zróżnicowanie funkcji, pojawia się jednak dopiero na wyższych poziomach organizacji wraz z udziałem dodatkowych elementów (białek, regulacyjnych ncRNA) i procesów, z którymi oddziałuje produkt tej sekwencji DNA. Na przykład podstawowa funkcja receptora Notch, polegająca na odbieraniu sygnałów, jest taka sama w różnych rodzajach komórek. Aktywacja Notch prowadzi do szeregu funkcji, zależnych jednak od obecności innych białek i od fizjologicznego kontekstu komórki. W tej perspektywie sekwencja DNA jest jednym z elementów warunkujących się wzajemnie łańcuchów przyczynowych.

Informacja genetyczna

Jedną z charakterystycznych cech determinizmu genetycznego jest obecność całego zestawu pojęć związanych z informacją genetyczną. O DNA mówi się, że jest nośnikiem informacji genetycznej, która za pośrednictwem transkrypcji, translacji, redagowania itp. prowadzi do powstawania określonych produktów białkowych, tkanek i organów. Zgodnie z obowiązującym paradygmatem zarówno czynniki środowiskowe jak i genetyczne są powodem istnienia konkretnej cechy organizmu, jednak tylko geny „kodują" wspomnianą cechę. Wbrew jednak przyzwyczajeniu genetyków, posługiwanie się pojęciem informacji zawartej w genach nie jest niekontrowersyjne i nie ma jasności, jaki rodzaj informacji miałby być zawarty w genach.

W biologii można wskazać występowanie co najmniej dwóch pojęć informacji: cybernetycznej i intencjonalnej (czy teleosemantyczne). Zgodnie z rozumieniem cybernetycznym informacja to cokolwiek, co zmienia stan układu. W tym sensie informacją będzie sygnał jednego układu przesyłany do innego układu, który reaguje zmianą swego stanu. Informacja przekazywana jest poprzez kanał łączący nadawcę informacji (sygnału) z odbiorcą, gdy zmiana stanu odbiorcy jest związana przyczynowo ze zmianą stanu nadawcy. Informacja w tej koncepcji jest przyczynową kowariancją lub też systemową zależnością przyczynową. Teoria informacji wskazuje ponadto, że przypisanie elementom naturalnego systemu przyczynowego roli źródła bądź kanału przekazywania informacji, zależy od przyczynowej kowariancji bądź też od obserwatora. Przy zastosowaniu tego pojęcia informacji, geny należy uznać za jedno ze źródeł informacji, obok środowiska i pozostałych elementów komórki. Informacja jest bowiem cechą całego systemu (np. komórki), będąc miarą jego uporządkowania.

Korzystanie z tego pojęcia informacji poza kontekstami cybernetycznymi, w których jest ono synonimem przyczyny, jest mylące, ponieważ sugeruje świadome procesy lub rodzaj zapisu, który podlega interpretacji ^{[ 15 ]}. Stosowanie do genów tego deterministycznego i systemowego (a więc anty-redukcjonistycznego) pojęcia informacji nie uprzywilejowuje genów w procesach przyczynowych na poziomie komórki czy organizmu.

Cybernetyczne pojęcie informacji nie pozwala uznać nadrzędności genów w determinowaniu zjawisk na poziomie komórki ^{[ 16 ]}. Uznanie bowiem jakichś elementów układów cybernetycznych za wywołujące określony stan odbiornika wymaga przyjęcia, że „przekaz" informacji dokonuje się w określonych warunkach zarówno układu nadawczego jak i odbiorczego. Takie warunki występują np. w laboratoriach, gdzie niezmienność warunków eksperymentu jest jednym z kluczowych wymogów metodologicznych, a jego przestrzeganie rzeczywiście sprawia, że DNA staje się nadrzędną przyczyną powstania polipeptydu czy efektorowego RNA. W probówce, w układzie in vitro pominięte lub znacząco ograniczone zostają np. procesy biochemicznej czy fizjologicznej regulacji transkrypcji i translacji, działające w sposób nieciągły i zależny od otoczenia, wpływające w warunkach naturalnych przyczynowo na powstawanie produktu (-ów) genu ^{[ 17 ]}. Upraszczanie kontekstu in vitro uzyskuje się utrzymując pewne czynniki na stałym poziomie, manipulując jednym lub niewielką liczbą pozostałych. Decyzja, które z parametrów kontrolować jest decyzją pragmatyczną, gdyż korzystne jest ograniczyć kontekst, w celu badania wewnątrz systemowych czynników przyczynowych. Ujęcie to ma jednak teoretyczne konsekwencje: poznawanie systemu nie jest przedmiotem obiektywnego ustalania, lecz zależne staje się od czynników pragmatycznych i decyzji badacza ^{[ 18 ]}. Nawet jednak i w tak kontrolowanych warunkach przyczynowość nie jest zlokalizowana w danym elemencie układu, lecz jest rozproszona w systemie. Informacja jest cechą całego systemu i miarą jego uporządkowania ^{[ 19 ]}.

Dopiero po przyjęciu intencjonalnej (semantycznej) koncepcji informacji, wprowadzającej intencjonalność informacji biologicznej przez zrównanie znaczenia z funkcją, nadawaną w procesie selekcji naturalnej (informacja teleosemantyczna) staje się możliwa nadrzędność przyczynowa genu. Jest to najpopularniejszy sposób „naturalizacji intencjonalności" ^{[ 20 ]}.

Celem genetycznej informacji teleosemantycznej, nadrzędnej do innych przyczyn, jest więc wywołanie określonego skutku, który jest wyselekcjonowany w procesie ewolucji ze względu na fitness organizmu. Geny w tej koncepcji zawierają informację będącą nie tylko rezultatem powiązania z fenotypem, lecz wynikiem faktu, że funkcją genu jest wytworzenie konkretnego, wyselekcjonowanego fenotypu ^{[ 21 ]}. Takie rozumienie informacji jest zgodne z rozumieniem potocznym (semantycznym) tego słowa i implikuje, że geny odmiennie od innych czynników przyczynowych zawierają instrukcję potrzebną do wywołania zamierzonego efektu. Stosowanie języka informacyjnego umożliwia następnie przeciwstawienie przyczyn genowych i środowiskowych. Geny są zatem intencjonalnie nakierowane na efekt, „kodują" konkretną cechę i ich funkcją jest powodowanie pojawienia się cechy. Paradygmat neodarwinowski jest więc dodatkowym powodem koncentrowania uwagi na DNA i zawężania liczby czynników sprawczych procesów rozwojowych organizmu. Takie ujęcie pozwala — jak twierdzą jego zwolennicy — zapewnić względna niezmienność informacji, i uniezależnić ją od zmian parametrów kanału przekazywania informacji, czyli całej maszynerii komórkowej i środowiska ^{[ 22 ]}.

Informacja teleosemantyczna nie musi być jednak powiązana koniecznie i wyłącznie z przyczynami genetycznymi. Hipoteza rozszerzonego replikatora ^{[ 23 ]} przyznaje równą rolę zarówno genetycznym, jak i niegenetycznym czynnikom uczestniczącym przyczynowo w rozwoju organizmu. W koncepcji tej zwraca się uwagę na epigenetyczny (w sensie szerokim) system dziedziczenia, definiowany jako dowolny mechanizm biologiczny, nie związany z DNA, zapewniający międzypokoleniową ciągłość (podobieństwo) organizmów ^{[ 24 ]}.

Mechanizmy dziedziczenia genetycznego zapewniają międzypokoleniową stabilność czynników genetycznych, które działają tak samo w pokoleniu rodzicielskim i potomnym. Podobnie czynniki niegenetyczne zapewniają międzypokoleniowe podobieństwo, powodując stabilność czynników niegenetycznych (rozwojowych, środowiskowych i in.) ^{[ 25 ]}.

Różne zjawiska i cechy organizmów mają niewątpliwe wyjaśnienia ewolucyjne, co oznacza że posiadają wyselekcjonowaną funkcję biologiczną i że tym samym — zgodnie z koncepcją informacji teleosemantycznej — zawierają informację.

W biologii molekularnej terminem „modyfikacja epigenetyczna" określa się np. metylację DNA czy modyfikacje białek związanych z DNA, wpływają na aktywność genów ^{[ 26 ]}. Zmiany te mogą być przekazywane międzypokoleniowo, w odróżnieniu od specyficznym względem płci wzorów metylacji DNA, pozwalającym na wygaszanie aktywność kopii genu lub chromosomu, pochodzącego od jednego z rodziców. Tego typu modyfikacje epigenetyczne są usuwane zasadniczo każdorazowo podczas tworzenia gamet, i tworzone od nowa po zapłodnieniu. Natomiast zmiany związane np. z metylacją sekwencji ruchomych DNA, wywodzących się z retrowirusów, i obecnych w dużych ilościach w genomach zwierzęcych, są zmianami stabilnie przekazywanymi międzypokoleniowo ^{[ 27 ]}. Podobne zjawiska wykryto u roślin, drożdży, czy owadów.

Zakres modyfikacji epigenetycznych DNA i związanych z nim białek pozwala mówić o chromatynie, czyli złożonym kompleksie DNA z białkami i RNA, tworzącej chromosomy, jako o „matrycy informacji genetycznej" ^{[ 28 ]}. Każdy z poziomów organizacji strukturalnej chromatyny może wpływać na regulację funkcjonowania genomu i być dziedziczony przez komórki potomne. Często mówi się, że nawet jeśli białka związane z DNA warunkują dziedziczenie cech, to „ostatecznie" informacja dziedziczna zawarta jest w DNA, jako że określa on strukturę wspomnianych białek. Jednak zapomina się, że w przypadku wielu rodzajów epigenetycznego dziedziczenia, zależy ono od kompleksów makrocząsteczkowych, mogących występować w wielu alternatywnych stanach. DNA określa strukturę aminokwasową, lecz nie określa funkcjonalnych stanów wspomnianych białek i kompleksów, które mogą być stabilne przez pokolenia. Zatem za ostateczne źródło dziedziczonej informacji można uznać strukturę chromatyny, a nie sam DNA.

Od wspomnianych modyfikacji epigenetycznych, można odróżnić dziedziczne zmiany nie związane z materiałem genetycznym („dziedziczenie paragenetyczne", „niekonwencjonalne systemy genetyczne"). Dotyczą one tak różnych zjawisk jak np. dziedziczenie procesów hierarchicznego składania elementów struktur komórkowych, dziedziczenie stabilnych pętli metabolicznych u bakterii, czy informacji przekazywanej w uporządkowaniu przestrzennym komórki i jej poszczególnych elementów składowych ^{[ 29 ]}.

Koncentrując uwagę na DNA zapomina się, że komórki potomne otrzymują z komórek macierzystych szereg elementów, które nie mogą być tworzone de novo, lecz powstają w wyniku powielania istniejących struktur. Przykładem może być ściana komórkowa, błony biologiczne, retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego, hydrogenosomy, mitochondria, cytoszkielet, przedziały komórkowe, gradienty cytoplazmatyczne, centromery. Elementy składowe wspomnianych struktur komórkowych (np. białka) syntetyzowane są w wyniku ekspresji konkretnych genów. Ekspresja genów nie wystarcza jednak do utworzenia wielu struktur subkomórkowych, które powstają jedynie w obecności trójwymiarowej „matrycy", czyli struktury już istniejącej w komórce macierzystej. „Matryce" te pełnią rolę analogiczną do jednej z nici podwójnej helisy DNA ^{[ 30 ]}. Złożonych procesów powstawania mitochondriów, białkowo-lipidowej struktury błon biologicznych czy ściany komórkowej roślin, nie można wytłumaczyć analizując jedynie sekwencje genów zaangażowanych w tworzenie elementów budulcowych tych struktur ^{[ 31 ]}.

Na przykład w komórkach eukariotycznych nowo syntezowane białka błonowe wprowadzane są najpierw do błon retikulum endoplazmatycznego (ER). Proces ten zachodzi równocześnie z translacją, a białkowy kompleks kierujący syntezą polipeptydu uczestniczy jednocześnie w ich integracji z błoną. W tym samym czasie powstające białka błonowe ulegają szeregu modyfikacjom chemicznym (np. glikozylacji, tworzeniu wiązań disiarczkowych), wycinaniu określonych sekwencji sygnalnych oraz fałdowaniu. Miejsca w obrębie ER, które obejmują całą tą skomplikowaną maszynerię białkową określa się mianem translokonów ^{[ 32 ]}. Dużą rolę w funkcjonowaniu translokonów odgrywają także lipidy błonowe, wpływające m.in. przyjmowanie właściwej topologii przez domeny transbłonowe oraz fałdowanie białek błonowych. W przypadku badania biogenezy błon biologicznych czy poszczególnych białek błonowych należy zatem zwracać uwagę nie tylko na białka, lecz również na ich naturalne środowisko w błonach, określane m.in. przez lipidy.

Nieco mniej tylko skomplikowany przebieg ma analogiczny proces powstawania białek błonowych u bakterii ^{[ 33 ]}.

Bez wątpienia struktura DNA zawiera podstawowy zapis, niezbędny do utworzenia w trakcie procesów transkrypcji i translacji elementów budulcowych struktur wyższego rzędu. Jednak nawet w przypadku białek cytoplazmatycznych, sekwencja DNA nie wyznacza w sposób jednoznaczny trzeciorzędowej struktury kodowanego białka. W przypadku większości białek sekwencja aminokwasów posiada więcej niż jedną stabilną termodynamicznie konformację. Przyjęcie fizjologicznie właściwej, zależy m.in. od białek pomocniczych (czaperonów) oraz fizjologiczno-biochemicznego składu cytoplazmy. Podobnie na wyższym poziomie organizacji elementy funkcjonalne (białka, RNA) są składnikami skomplikowanych struktur i sieci, których cechy strukturalne oraz parametry w konkretnych warunkach nie są zależne bezpośrednio od DNA, tak jak zjawiska chemiczne nie są jedynie fizyką stosowaną. Na przykład poszczególne enzymy w roztworze mogą wykazywać niski poziom aktywności katalitycznej. Te same enzymy, tworzące wieloskładnikowy, stabilny, trójwymiarowy układ wykazują wysokie aktywności i sprzężoną aktywność przekształcającą w sposób stopniowy cząsteczkę substratu. Podobnie komórki wątroby wydzielają enzymy trawienne z jednego końca komórki. W stanach chorobowych cecha polarności zanika, wraz z dezorganizacją międzykomórkowej macierzy organizującej tkankę.

Skomplikowane układy wyższego rzędu (błony biologiczne, wieloskładnikowe kompleksy białkowe) mogą powstawać i funkcjonować zasadniczo jedynie w kontekście komórkowym, obejmującym także procesy oscylacyjne, mechanizmy tworzenia form, czy dynamikę chaotyczną ^{[ 34 ]}.

Pojęcie „informacji genetycznej" w biologii molekularnej wydaje się zatem bardziej metaforą, niż koncepcją teoretyczną, i z takim zastrzeżeniem będziemy dalej go stosować ^{[ 35 ]}. Natomiast ściśle rzecz biorąc sekwencja DNA odpowiada jedynie pierwszorzędowej strukturze polipeptydu. Mówienie o informacji poza tym obszarem jest metaforą, opisującą związki przyczynowe i statystyczne korelacje ^{[ 36 ]}. Mówiąc ściśle w przypadku DNA informacja pojawia się np. w trakcie procesu replikacji DNA lub procesu transkrypcji, gdy kompleksy białkowe rozplatają podwójną helisę i rozpoznają układ nukleotydów. Procesy te nie mają charakteru celowego, przyczynowo-skutkowego, a informacyjny, wiążący konkretne struktury i funkcje ^{[ 37 ]}.

Sekwencja DNA jest znacząca jedynie w kontekście komórki lub układu eksperymentalnego, zawierającego niezbędne składniki komórkowe umożliwiające powstawanie określonych produktów białkowych. Ścisła i cykliczna zależność pomiędzy strukturą DNA, a strukturą komórki (i wyższych poziomów organizacji fizjologicznej), bierze swój początek z procesów ewolucyjnych, w których kształtowała się minimalna całość, zdolna do rozwoju i zmienności osobniczej, będącej podstawą filogenezy.

Zmiany epigenetyczne rozumiane jeszcze szerzej, jako oddziaływania pomiędzy tkankami, a otoczeniem fizycznym, czy pomiędzy metabolizmem komórek, a otoczeniem fizykochemicznym uznawane są w niektórych nie-neodarwinowskich koncepcjach ewolucji za źródło nowych cech ^{[ 38 ]}. Na przykład w koncepcji Newmana i Mullera fizyczny charakter agregatów komórek, oddziaływania międzytkankowe, czy wpływ czynników zewnętrznych ustalają pierwotne matryce rozwojowe w trakcie ewolucji planu budowy ciała i organów, które dopiero wtórnie ulegają „genetycznej rutynizacji". Czynniki epigenetyczne są jednak nadal — w różnym stopniu — czynnikami determinującymi rozwój współczesnych organizmów .

Udział dziedziczenia niegenetycznego w ewolucji wymaga podjęcia systematycznych badań, w których odrzucone zostanie wstępne założenie, że jedynym mechanizmem odpowiedzialnym za powstawanie fenotypów międzypokoleniowo stabi czynniki genetyczne. W celu rozróżnienia, które z czynników są genetyczne, a które pozagenetyczne, konieczne będzie podjęcie badań ujmujących zjawiska ewolucyjne w świetle osobniczych mechanizmów rozwojowych czy zmienności powodowanej środowiskowo. Ponieważ zmienność typów środowiskowych może być wynikiem uczenia (np. wzorce zachowań), możliwe jest wprowadzanie zmian adaptacyjnych ^{[ 39 ]}. Wydaje się również, że zmienność niegentyczna może odgrywać rolę w międzypokoleniowej zmienności pomiędzy grupami organizmów (selekcja grupowa) ^{[ 40 ]}.

Zrównywanie sekwencji DNA z informacją genetyczną (rozumianą jako synonim informacji dziedzicznej) jest jednak nadal uznawane za najzupełniej poprawną metaforę. A nawet więcej, za bezwzględną prawdę: „Pogląd, że genom jest księgą, nie jest ściśle mówiąc, nawet metaforą. Jest literalną prawdą. (...) Łańcuch DNA jest informacją, wiadomością zapisaną w chemicznym kodzie (...) w sposób który może być przez nas zrozumiany" ^{[ 41 ]}. Analogiczne stwierdzenia znajdują się w wielu podręcznikach akademickich ^{[ 42 ]}.

Jednak jeśli nawet przyjmiemy, że genom jest księgą życia, to księga ta zawiera niesłychanie wiele luk i fragmentów zrozumiałych jedynie w kontekście całego organizmu i jego środowiska. „Brakująca informacja" znajduje się poza genomem, podobnie jak funkcje nie są „zapisane" w DNA. Można metaforycznie powiedzieć, stosując pojęcia E.T.Halla, że genom posługuje się „językiem wysokiego kontekstu" ^{[ 43 ]}. Perspektywa DNA jako „kodu życia" odsuwa na drugi plan złożone oddziaływania pomiędzy DNA, a komórkowym środowiskiem w którym przechowywany jest i wyrażany zapis zawarty w DNA ^{[ 44 ]}.

Po przeczytaniu tego tekstu, czytelnicy często wybierają też: Genocenetryzm: między biologią, filozofią i kulturą Genocenetryzm: między biologią, filozofią i kulturą

Wyślij mailem..

Wersja do druku    PDF    MS Word

Cezary Żekanowski Doktor habilitowany, biolog molekularny, docent w Instytucie Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej PAN oraz Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. Zajmuje się molekularnym podłożem chorób neurozwyrodnieniowych (m.in. chorobą Alzheimera, otępieniem czołowo-skroniowym) oraz diagnostyką molekularną.