Genotyp każdej tkanki z osobna, czyli dlaczego serce nie wygląda jak mózg

20 lat temu zsekwencjonowano ludzki genom. Zakończył się wtedy jeden z, jak się wydawało, największych projektów naukowych ludzkości. I już wszystko mieliśmy wiedzieć. Po co zatem badać od dekady genetycznie każdą tkankę i rodzaj komórek ludzkich z osobna? Bo nie jesteśmy zbiorem małych, identycznie wyglądających komórek-kulek, tylko skomplikowanym organizmem – człowiekiem. Zbudowanym z komórek „różnych, różnistych”.

Najdawniejszy ewolucyjnie byt żywy , co jest niebakteryjny (więc np. sinice się nie liczą), wielokomórkowy, ale wszystkie te komórki są jakieś takie identyczne, to by były chyba np. wielokomórkowe zielenice typu chlorokokowców oraz gąbki – uznawane z kolei za beztkankowe zwierzęta. Reszta wielokomórkowego świata tworzy jakieś tkanki – chociaż dwie. Czyli np. z innych komórek się składa, a innymi rozmnaża.

Dlaczego? Bo kluczem do rozwoju w większe i coraz większe formy (a w naturze duży może na ogół więcej, jak w reklamie pewnego towarzystwa ubezpieczeniowego) jest specjalizacja. I znowu „lecąc” inną z reklam, tym razem proszku do prania, można to prosto ująć, że „jak coś jest do wszystkiego, to jest do niczego”.

Tak to działa w świecie zbudowanym z komórek. Pojedyncza komórka musi „ogarniać wszystkie tematy”: odbierać bardzo złożone sygnały i bodźce ze środowiska, magazynować nadmiar pokarmu, wydalać co zbędne lub szkodliwe, komunikować środowisku, jak z nią jest, bronić się przed inwazją z zewnątrz, rozmnażać etc. A organizm wielokomórkowy tak został przez matkę ewolucję ociosany przez miliardy lat, że konkretne zadania powierza konkretnym wyspecjalizowanym komórkom i powstałym z nich tkankom.

I choć organizmów jednokomórkowych per saldo jest na naszej planecie więcej (czego nie widać, bo są na ogół w pojedynkę niewidoczne gołym okiem), to tzw. „korona stworzenia”, czyli my we własnych osobach, jesteśmy wielokomórkowi i tkankowi do granic.

Skoro zaś każda tkanka, a nawet wyspecjalizowane poszczególne komórki w jej obrębie, robią różne rzeczy, a genom ludzki jest jeden w nich wszystkich (z małymi wyjątkami, ale zaraz do tego wrócę), to jak to się dzieje, ale tak detalicznie?

Tu nastąpić musi parafraza cytatu z mojego ulubionego filmu „Stwórca” z nieodżałowanym Peterem O’Toole w roli głównej: „Po 10 latach nieustannych badań, które pochłonęły bagatela 150 mln dolarów, dobry Bóg raczył udzielić nam odpowiedzi” za pomocą rąk i głów badaczy tworzących projekt Genotype-Tissue Expression (GTEx). Przebadali oni szczegółowo aktywność ok. 20 tys. ludzkich genów (wszystkich kodujących białka w naszym genomie) w każdej ze zdefiniowanych przez siebie 54 rodzajów tkanek i komórek wyspecjalizowanych. Gdzie owa aktywność była mierzona? Tkanki pobierali do natychmiastowej analizy ze zwłok właśnie zmarłych osób.

Jak się mierzy ową aktywność? Po pierwsze trzeba dla każdej z tych tkanek ustalić poziom powstającego tam specyficznie pierwszego produktu aktywności genu, zwanego informacyjnym RNA (messenger RNA, mRNA). Gdyż, jeśli gen jest bardziej aktywny, to w danej tkance w konkretnych warunkach powstanie więcej mRNA „przepisanego” z tego genu. Mierząc zatem poziomy owego mRNA, da się ustalić, czy dany gen jest w tej konkretnej tkance aktywny bardziej, mniej lub nawet wcale.

Ale hola! Aby robić takie porównania, że coś jest mniejsze lub większe, to trzeba mieć odniesienie – motylek bowiem, mówiąc obrazowo, nie może mieć jednego skrzydełka bardziej. Musimy wiedzieć, od czego bardziej. Tym niezbędnym punktem odniesienia w danej tkance jest uśredniona aktywność genów niezbędnych do przetrwania każdej komórce – czyli odpowiedzialnych za tzw. metabolizm podstawowy.

Dlaczego musimy ustalać ten poziom podstawy dla każdej tkanki z osobna? Gdyż tempo metabolizmu jako całości w różnych tkankach bywa różne. Choć ów metabolizm podstawowy, np. rozpad glukozy do pirogronianu, jest przeprowadzany w każdej komórce organizmu tym samym zestawem enzymów. Skoro mierzymy to dla wielu niezależnych genetycznie osób, udaje się jakoś uśrednić te wyniki.

I w efekcie powstaje bardzo szczególna mapa – mapa aktywności wszystkich genów kodujących białka w różnych ludzkich komórkach i tkankach. Teraz trzeba jeszcze jakoś to mozolnie pospinać z działaniem konkretnych, tkankowo-specyficznych sekwencji regulatorowych w DNA.

Co to znaczy? Aktywność genów nie wynika z działania magicznej różdżki jakiejś, tylko z tego, że w konkretnych tkankach działają konkretne sekwencje regulatorowe w DNA,. Takie przełączniki.

Tu można sobie wyobrazić ludzki genom jako gigantyczny zestaw obwodów elektrycznych. Są takie przełączniki (sekwencje regulatorowe w DNA), które włączają jedne jego części – co widzimy zapalającymi się z różnym natężeniem światła zastawami żaróweczek (aktywne geny, a zatem wyższy lub niższy poziom powstającego mRNA konkretnych genów).

Mimo, że cały ten skomplikowany gigantyczny obwód elektryczny (genom) jest obecny bez żadnych przeróbek w niemal każdej z komórek organizmu, to w każdej z tkanek świeci się inny zestaw żarówek i to z różnym natężeniem.

Całe zatem badanie Genotype-Tissue Expression to niejako fotografowanie z lotu ptaka tych konkretnych podobwodów elektrycznych, rejestrowanie tych żarówek i włączników. Oczywiście to dotyczy większości komórek, bo rearanżacje na poziomie DNA (czyli „cięcie gięcie” sprawiające, że w danej komórce zanika lub ulega powieleniu jakiś odcinek genomu) są rzadkie i dotyczą np. bardzo wyspecjalizowanych komórek, jak limfocyty B produkujące przeciwciała.

W najbardziej prestiżowych czasopismach naukowych, jak Science, Science Advances i Cell, ukazały się w mijającym tygodniu kolejne z już dziesiątków publikacji będących wynikiem pracy GTEx od 2015 roku, kiedy pojawiła się pierwsza z nich. Pokazująca m.in., że próbki pobrane ze zwłok i zamrożone w -80 st. natychmiast po zgonie (zgodnie z wolą osób, które życzyły sobie, aby ich ciało zostało przekazane na badania medyczne), są wcale niezłym przybliżeniem aktywności genów w żywym jeszcze organizmie.

Wtedy, w roku 2015, zanalizowano w ramach działania konsorcjum niecały tysiąc genów, a próbki do analiz mRNA pobrano z 9 tkanek. W mijającym roku tkanek jest jak dotąd 49, próbek ponad 15 tys. , zaś liczba dawców tkanek do analizy wzrosła 5-krotnie, tak że w 2020 roku było to 838 osób.

Cała uzyskana przez GTEx baza danych oraz narzędzia do jej analizy są do ściągnięcia za darmo przez wszystkich naukowców zatrudnionych w jednostkach badawczych.

To wielkie narzędzie do badań w kilku co najmniej zakresach nauki o człowieku. Po pierwsze – w biologii rozwoju, która próbuje ustalić, kiedy i jak oraz dlaczego w czasie życia płodowego konkretne tkanki i wyspecjalizowane komórki w ogóle powstają. Czyli dlaczego serce to serce, a mózg to mózg. Po wtóre – w medycynie, np. onkologii.

Bo to, że jakaś komórka przestaje się zachowywać, jak należąca do konkretnej tkanki, „buntuje się” przeciw organizmowi i zaczyna np. po nim wędrować , dając przerzuty, to też jest wynik zmian w normalnej dla niej, właściwej dla jej tkanki ekspresji genów. Ale także we wszystkich innych obszarach medycznych, bo …

Nie tylko w sekwencji DNA, którą znamy i poznajemy coraz głębiej (ostatnio udało się np., wreszcie przeczytać cały pojedynczy ludzki chromosom – X – od początku do końca bez przerw, mimo że tzw. cały genom ludzki znamy już od 20 lat!) ukryte są przyczyny zmienności osobniczej, rozwoju osobniczego i zmian chorobowych.

Takie, ukryte w sekwencji DNA podłoże tego, że ja to ja, a Ty to Ty, i jesteśmy bardzo podobni, a jednak różni, bada się np. techniką GWAS. Gdzie sekwencje DNA tysięcy ludzi porównuje się ze sobą, aby znaleźć te mutacje, które korelują z konkretną ich cechą, np. leworęcznością (pisałam o tym w szczegółach). 

Natomiast inne źródło naszej różnorodności, powiedziałabym zwłaszcza wewnętrznej, tkankowej, ale także np. między zdrową a chorą tkanką, tkwi właśnie w aktywności genów. Która wcale nie musi wynikać z sekwencji genów. Wynika z działania tysięcy przełączników, sprawiających, że niewielka jednoniciowa cząsteczka, zwana mRNA, w ogóle powstaje i to w konkretnej ilości w komórce.

Miesięcznie baza danych GTEx jest odwiedzana 16 tys. razy przez tych, którzy chcą zrozumieć jak najgłębiej funkcjonowanie człowieka, który jest organizmem tkankowym.

#tkanki #komórki #budowa #genotyp #genom