Jak się steruje genami?

Oto jedna z najbardziej kłopotliwych zagadek biologii. Każda komórka organizmu, na przykład ludzkiego, zawiera ten sam DNA. Wszystkie komórki w mózgu oraz w jelitach mają gen produkcji insuliny, lecz żadna z nich insuliny nie wytwarza. Zadanie to jest zarezerwowane dla komórek trzustki. Skąd więc komórki wiedzą, które geny powinny zadziałać? Skąd komórki trzustki wiedzą, że powinny aktywować geny insuliny, podczas gdy komórki mózgu wiedzą, że mają tego nie robić? Jest to problem regulacji genowej.

Pierwsze wyjaśnienie regulacji genowej datuje się na lata 50. Dotyczyło ono genów w bakteriach, gdzie DNA pływa swobodnie w komórce zamiast znajdować się w jądrze, jak to jest u bardziej rozwiniętych organizmów. Badaną bakterią była Escherichia coli, rezydująca w przewodzie pokarmowym człowieka. W odróżnieniu od komórki organizmu ludzkiego, która musi rozstrzygnąć, czy jest w odpowiednim miejscu do wytwarzania odpowiedniego białka, komórka bakterii musi zadecydować, kiedy wytworzyć białko.

E. coli ma na przykład parę genów umożliwiających wytwarzanie przez nią białka rozkładającego laktozę, cukier znajdujący się w mleku. Lecz mleko nie zawsze jest obecne w przewodzie pokarmowym człowieka – ma raczej skłonność do pojawiania się porcjami oddzielonymi długimi okresami przerwy. Bakteria musi mieć zatem sposób włączania genów trawiących laktozę, gdy mleko jest obecne, a wyłączania ich przy jego braku.

Każdy gen bakteryjnego DNA zawiera długi łańcuch cząsteczek kodujących białko trawiące laktozę, poprzedzony krótkim odcinkiem cząsteczek zwanym „promotorem”.

Jest to miejsce, w którym enzymy zaangażowane w składanie tego właśnie białka przyczepiają się do DNA i zaczynają przesuwać się wzdłuż podwójnej helisy. Wyobraźmy sobie promotor jako odpowiednik stacyjki w samochodzie – musi wykonać swoje zadanie, zanim stanie się cokolwiek innego. Pomiędzy promotorem a genem właściwym znajduje się inny krótki odcinek, zwany operatorem. W normalnych warunkach enzymy przechodzą przez ten obszar po drodze do genu.

Jednakże gdy w otoczeniu nie ma laktozy, wokół obszaru operatora owija się cząsteczka „represora”, blokując posuwanie się naprzód enzymów i uniemożliwiając odczyt genów następujących po nim. Wyobraźmy ją sobie jako klamrę utrzymującą razem dwa odcinki podwójnej helisy i blokującą ruch wzdłuż niej. Tak długo, jak znajduje się w tym miejscu, nie mogą być wytwarzane białka rozkładające laktozę. Jeśli jednak wypijemy trochę mleka, cząsteczki laktozy wiążą się ze ściśle określonym punktem cząsteczki represora, powodując jego odgięcie i zwolnienie zacisku z DNA. Kompleks represor-laktoza odpływa i komórka zaczyna produkować duże ilości białek rozkładających laktozę. Gdy laktoza zostanie strawiona, represor (teraz już bez cząsteczki laktozy) wraca, dołącza się ponownie i wyłącza całą operację, aż do następnego koktajlu mlecznego.

W przypadku prostych bakterii mechanizmy regulacji genowej poznano całkiem dobrze i wszystkie mają bezpośrednią, stosunkowo nieskomplikowaną naturę tego rodzaju, jak metabolizm laktozy u E. coli. Jeśli jednak dochodzimy do bardziej skomplikowanych komórek ludzkich, mechanizm zaczyna się stawać niezwykły. Nasze geny nie mają opisanej prostej struktury promotor-opera-tor-sekwencja kodująca. Wydaje się natomiast, że prócz promotora, inne obszary cząsteczki DNA, mieszczące się daleko od głównej części genu, mogą wpływać na jego aktywację. Obszary te zwane są „wzmacniaczami” i „wyciszaczami”. Przedstawmy je sobie jako odpowiedniki pedału gazu i hamulca w samochodzie. Do wszystkich tych miejsc może dołączać się duża rodzina cząsteczek i wpływać na to, co stanie się dalej, a sterowanie zdaje się posługiwać skomplikowanym (i nie w pełni zrozumiałym) ciągiem komend „start” i „stop”. Oto lista stosownych molekuł:

• aktywatory – wiążą się z genami w obszarach wzmacniaczy i określają, jakie geny zostają włączone;

• koaktywatory – wiążą się z aktywatorami (które związane są ze wzmacniaczami) i łączą je z czynnikami podstawowymi;

• czynniki podstawowe – skomplikowany zestaw cząsteczek wiążących się z obszarami promotora DNA, tworzących połączenie między aktywatorami, koaktywatorami i samym DNA, prawdopodobnie dostarczają w odpowiednie miejsce enzymów odczytujących DNA i posyłają je w dalszą drogę;

• represory – łączą się z obszarami wyciszaczy, by wyłączyć (lub spowolnić) geny; mogą również łączyć się z koaktywatorami.

Tak więc każdy gen w naszych komórkach ma ten zespół cząsteczek uwijających się wokół niego i dla każdego genu skład cząsteczek w zespole jest inny. W ostatnich kilku latach naukowcy zaczęli dostrzegać w ogólnym zarysie, jak te cztery typy cząsteczek łączą się ze sobą, by włączyć lub wyłączyć aktywność genu. Taką drogę już przebyliśmy do uzyskania odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób następuje regulacja genów. Następnym zagadnieniem – i w pewnym sensie bardziej interesującym – jest to, skąd komórki wiedzą, które aktywatory i represory wytwarzać. Każda z tych cząsteczek jest zakodowana przez jakiś gen gdzieś w DNA i rozwiązanie kwestii, w jaki sposób komórki wiedzą, które z tych genów włączyć, jest, jak sądzę, celem działań, jakie zostaną podjęte w nadchodzących latach.