Rok 2016 jest okresem wielkich, doniosłych rocznic: 100-lecia urodzin Francisa H.C. Cricka, Złotego Jubileuszu odkrycia kodu genetycznego oraz Diamentowej Rocznicy centralnego paradygmatu biologii molekularnej.
Instytut Chemii Bioorganicznej Polskiej Akademii Nauk w Poznaniu, mając w pamięci te wielkie i przełomowe wydarzenia w nauce i chcąc je uczcić, zorganizował w dniach 27–28 października 2016 konferencję pod tytułem DNA – JĘZYK ŻYCIA.
Składała się ona z 3 części. Pierwsza, odbywająca się pod hasłem Historia zapisana w DNA, podzielona została na trzy sesje: Homo sapiens w Europie, Początki państwowości polskiej i Archeogenomika w Polsce. Problematyka historyczna oraz badania DNA szczątków ludzkich są z wielkimi sukcesami realizowane w wielu laboratoriach w Europie i na świecie, stanowiąc solidne podstawy do dyskusji o migracji ludzi oraz relacjach historycznych. W Polsce zagadnienia te objęte są grantem SYMFONIA Narodowego Centrum Nauki, realizowanym w Instytucie Chemii Bioorganicznej i na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.
Dyskutowano drogi przemieszczania się ludności z Afryki do Europy. Dane genetyczne pozwoliły wskazać na dwa wyjścia z Afryki. Pierwsze, nieudane miało miejsce ok. 150-100 tysięcy lat temu (tya; ang. thousand years ago). Drugie udane nastąpiło ok. 60-50 tya, prowadziło wybrzeżami południowej Azji i zaowocowało między innymi zasiedleniem Australii (ok. 50 tya). Anatomiczne współcześni ludzie od samego początku wstąpienia do Azji mieszali się z archaicznymi formami Homo. Genetyczna domieszka Neandertalczyków jest obecna u osób, datowanych na okres 45-38 tya, będących w jednakowym stopniu przodkami wszystkich wschodnio- i zachodnio-azjatyckich populacji. Mimo iż Homo sapiens docierają do neandertalskiej Europy 45 tya, to dopiero ok. 35 tya działanie dryfu genetycznego pozwoliło wyodrębnić zachodnie- i wschodnie eurazjatyckie populacje paleolityczne [1], (Ireneusz Stolarek, Poznań).
Omówiono problemy ludności Wielkopolski i Kujaw w okresie późnej starożytności (Janusz Piontek, Poznań). Przedstawiono źródła historyczne dotyczące Państwa Piastów (Janusz Dobosz) oraz ich związki z Rzeszą Niemiecką (Eduard Mühle, Münster). Dyskutowane były odkrycia archeologiczne cmentarzy z obszaru Państwa Pierwszych Piastów (Michał Kara) oraz Ostrowa Tumskiego w Poznaniu (Hanna Kóčka-Krenz, Poznań).
Bardzo interesujące doniesienia dotyczyły wykorzystania metod molekularnych do badań paleontologicznych (Wiesław Lorkiewicz, Łódź), a także śledzenie genetycznych uwarunkowań tolerancji laktozy w kontekście gęstości kości (Barbara Mnich-Woźniak, Kraków). W obrębie genu LCT, warunkującego tolerancję laktozy, u sześciu osób stwierdzono genotyp TT, u czterech genotyp CT (tolerująca laktozę), natomiast u siedmiu osób wykryto genotyp CC (nietolerancja laktozy). Zaobserwowano istotną zależność między genetycznym uwarunkowaniem tolerancji laktozy a gęstością kości (występowaniem osteoporozy).
Omawiano wykorzystanie mitogenomiki (dziedziny nauki zajmującej się badaniami genomów mitochondrialnych) w badaniach populacji pradziejowych. Sekwencje genomów mitochondrialnych można określić z kopalnego DNA (ang. ancient DNA, aDNA) dwiema metodami, albo poprzez bezpośrednie sekwencjonowanie bibliotek genomowych z wykorzystaniem systemów wysokoprzepustowych, lub poprzez wstępne wzbogacanie w genomy mitochondrialne, a następnie sekwencjonowanie wysokoprzepustowe. Mitogenomika znajduje zastosowanie w przypadku analiz pokrewieństwa oraz w badaniach populacji pradziejowych np. Scytów z okresu żelaza (Anna Juras, Poznań. Anna Philips (Poznań) dyskutowała zidentyfikowane na podstawie analizy DNA mikroorganizmy towarzyszące szczątkom ludzkim. Badania kopalnego DNA wyizolowanego ze szczątków ludzkich lub zwierzęcych zazwyczaj skupiają się tylko na badaniach endogennego aDNA. Jednak większość pobranego materiału DNA nie pochodzi od badanego organizmu, lecz z mikroorganizmów, które skolonizowanych szczątki pośmiertnie lub były w nich obecne przed śmiercią organizmu. Postęp technologiczny jaki dokonał się w ostatnich latach w dziedzinie sekwencjonowania DNA pozwoliły na kompleksową analizę składu mikrobów obecnych w kopalnych szczątkach ludzkich. Przeanalizowano 161 prób datowanych na 1–1200 AD z siedmiu stanowisk archeologicznych zlokalizowanych w różnych regionach Polski. Większość zidentyfikowanych drobnoustrojów to wszędobylskie bakterie środowiskowe, które najprawdopodobniej skolonizowały szczątki w niedalekiej przeszłości. Jednakże w dwóch trzecich prób zostały zidentyfikowane również bakterie charakterystyczne dla flory jamy ustnej i przewodu pokarmowego człowieka oraz potencjalne patogeny. Materiał genetyczny bakterii typowych dla flory człowieka wykazał charakterystyczny dla aDNA wzór uszkodzeń, który porównywalny był ze stopniem uszkodzeń endogennego ludzkiego aDNA.
Druga część konferencji, Od biomolekuł do syntetycznych organizmów, obejmowała dwie sesje.
W pierwszej, zatytułowanej DNA – teraźniejszość, Wojciech T. Markiewicz (Poznań) omówił początki, dokonania i perspektywy biologii chemicznej, a w szczególności biologii chemicznej kwasów nukleinowych. Za pierwszego biologa chemicznego można uznać Josepha Priestleya [2], tego samego, który odkrył tlen w roku 1774, a wcześniej kilka nowych gazów, między innymi amoniak i podtlenek azotu (gaz rozweselający).
Dzisiaj trudno sobie wyobrazić analizy procesów mechanizmów biologicznych bez znajomości budowy przestrzennej biomolekuł (Mariusz Jaskólski, Poznań). Struktura podwójnej helisy DNA, która dała początek biologii strukturalnej, jest ikoną biologii molekularnej. Struktury rybosomu, największego rybozymu czy splicesomu, a także wielu białek i ich kompleksów również z kwasami nukleinowymi stanowią potwierdzenie tzw. „reguły kciuka” zaproponowanej przez Francisa Cricka sugerującą, że najlepszym sposobem na uchwycenie funkcji jest znajomość struktury danej makrocząsteczki..
Diagnostyka pacjentów z podejrzeniem choroby genetycznej pozostaje wyzwaniem dla ekspertów klinicystów. Tomasz Żemojtel (Berlin) pokazał jak integracja bioinformatycznej analizy fenotypów i sekwencjonowania nowej generacji w obrębie jednej procedury diagnostycznej umożliwia skuteczną implementację diagnostyki różnicowej w genetyce medycznej. W szczególności podkreślono użyteczność dla diagnostyki takich narzędzi jak Phenix, Exomiser i Genomiser, które wykorzystują Human Phenotype Ontology.
Inną nową dyscypliną naukową jest biologia syntetyczna. O jej narodzinach, dotychczasowych dokonaniach i perspektywach dyskutował Marek Figlerowicz (Poznań).
W sesji zatytułowanej DNA-perspektywy Adam Krętowski (Białystok) pokazał różne zastosowania technologii DNA w medycynie precyzyjnej, która w przeciwieństwie do medycyny spersonalizowanej ma dużo większe szanse skutecznego zaistnienia.
Chociaż ogólnie znany jest fakt, że mamy wspólny genom, ludzie różnią się od siebie. Zmienność w obrębie ludzkiej populacji dotyczy nie tylko cech związanych z budową ciała (wzrost, kształt czaszki, kolor włosów) czy cech fizjologicznych (wydolność, siła, poziomy hormonów i enzymów), ale również cech osobowościowych, takich jak różnego typu talenty, skłonność do agresji czy skłonności do uzależnień. Za wszystkie ludzkie cechy odpowiadają dwa, wzajemnie na siebie oddziałujące, komponenty: środowisko i geny (tło genetyczne). W genomie człowieka występują różnego typu warianty genetyczne, wspólnie składające się na zmienność genetyczną człowieka. Najpowszechniejszą formą zmienności genetycznej są zamiany pojedynczych nukleotydów (SNP). Innym typem zmienności genetycznej jest zmienność liczby kopii (CNV). W genomie człowieka występują miliony SNP i tysiące CNV. Z wyjątkiem rzadkich chorób genetycznych, tylko nieliczne ludzkie cechy determinowane są według prostego, jednogenowego modelu. Większość cech determinowana jest przez wiele genów, a dodatkowo modyfikowana jest przez różne czynniki środowiskowe. Podobny sposób dziedziczenia występuje również u innych organizmów w tym zwierząt i roślin (Piotr Kozłowski, Poznań, Agnieszka Żmieńko, Poznań).
Michał Jasiński (Poznań) przedstawił referat o precyzyjnej hodowli roślin. Oznacza ona również rozwiązania oparte o badania asocjacyjne genomów oraz identyfikację genów kandydujących, odpowiedzialnych za ważne użytkowo cechy fenotypowe. Przykładem takich genów mogą być np. geny kodujące białka ABC (ang. ATP Binding Casette transporters), odpowiedzialne za adaptację roślin do zmiennych warunków środowiskowych. W swoim wystąpieniu Michał Jasiński szczególną uwagę poświęcił roli, jaką pełną białka ABC w odpowiedzi roślin na stres abiotyczny reprezentowany przez niedobór wody oraz infekcje patogenów grzybowych. Na wybranych przykładach zilustrowano, jak znajomość zależności między sekwencją genu a określoną cechą fenotypową może przyczynić się do tworzenia nowych rozwiązań w dziedzinach związanych z produkcją żywności.
Ostania częścią konferencji była sesja jubileuszowa pt. Kod genetyczny i centralny dogmat biologii molekularnej. Miała ona otwarty, popularnonaukowy charakter i odbyła się w Auli NOVEJ Akademii Muzycznej im. I. Paderewskiego w Poznaniu.
Podczas tej sesji przypomniano fakty (książka What is Life? A. Schroedingera, centralny dogmat biologii molekularnej) i odkrycia (model helikalnej struktury DNA czy synteza polifenyloalaniny na matrycy poliU w ekstrakcie komórkowym), które doprowadziły do poznania zasad kodowania genetycznego (w 1961 r.) oraz pełnej tabeli kodu genetycznego (w 1966 r.). Jak wielkie i przełomowe było to odkrycie, najlepiej świadczy rozwój inżynierii genetycznej i biotechnologii (Jan Barciszewski, Poznań). Przy okazji przypomniano, że przy rozszyfrowywaniu mechanizmów kodowania znaczący wkład miał Michael Sela (Mieczysław Salomonowicz). Ten urodzony w 1924 roku w Tomaszowie Mazowieckim krewny Juliana Tuwima i dobrze wykształcony chemik podpowiedział M. Nirenbergowi w jaki sposób można rozpuścić polifenyloalaninę powstałą w wyniku translacji polyU. Ze swoich prac wiedział on, że praktycznie jedynym rozpuszczalnikiem tego polipeptydu jest 30% roztwór bromowodoru w lodowatym kwasie octowym [3]. Takiej unikalnej wiedzy nikt poza Selą wówczas nie posiadał i można przypuszczać, że bez dyskusji Nirenberga z Selą odkrycie kodu genetycznego nastąpiłoby znacznie później [3]. Warto wiedzieć, że Michael Sela był również Prezesem Instytutu Naukowego Weizmana w Rehovot (Izrael) i jest członkiem Polskiej Akademii Umiejętności.
W celu popularyzacji najnowszych zdobyczy nauk biologicznych, Instytut Chemii Bioorganicznej PAN przekazał dla szkół ponadpodstawowych Województwa Wielkopolskiego aktualną wersję tabeli kodu genetycznego [4], aby była źródłem inspiracji dla młodzieży, szczególnie w szkolnych gabinetach biologiczno-chemicznych. Maciej Błaszak (Poznań) szeroko omówił osiągnięcia Francisa Cricka w obszarze biologii molekularnej a także dokonania w neurologii. W ostatnim wystąpieniu naukowym Marek Figlerowicz (Poznań) przedstawił Genomiczną Mapę Polski, nowy projekt badawczy mający na celu poznanie ok. 6 tysięcy genomów mieszkańców Polski.
Relację przygotowali Profesorowie:
Jan Barciszewski, Maciej Stobiecki, Michał Sobkowski i Marek Figlerowicz, Instytut Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu.
Piśmiennictwo cytowane w artykule:
[1] Ireneusz Stolarek, Maciej Figlerowicz: Homo Sapiens w Europie - histiria zapisana w DNA. NAUKA, 3,2-25,2016.
[2] Kim L. Morrison, Gregory A. Weiss, The origins of chemical biology. Nat. Chem. Biol. 2, 3–6, 2006.
[3}] Marshall Nirenberg, Historical review: deciphering the genetic code - a personal account, Trends Biochem Sci. 29, 46-54, 2004.
[4] Maciej Szymański, Jan Barciszewski. The genetic code. Acta Biochimica Polonica, 54,51-54,2007
[1] Ireneusz Stolarek i Maciej Figlerowicz, Homo Sapiens w Europie- historia zapisana w DNA, NAUKA 3, 7-25, 2016.
[2] Kim L. Morrison, Gregory A. Weiss, The origins of chemical biology. Nat. Chem. Biol. 2, 3–6, 2006.
[3] Marshall Nirenberg, Historical review: deciphering the genetic code – a personal account, Trends Biochem. Sci. 29, 46-54, 2004.
[4] Maciej Szymański i Jan Barciszewski, The genetic code. Acta Biochimica Polonica 54, 51-54, 2007.
