Co powoduje, że słoń ma rozmiary słonia, a mysz myszy? Czy zastanawialiście się państwo, dlaczego większość ludzi mierzy 1 metr plus kilkadziesiąt centymetrów? Albo dlaczego waży 60–90 kg? Mamy z reguły podobne rozmiary ciała. To samo obserwuje się u wszystkich gatunków zwierząt i roślin.
Naukowcy starają się zidentyfikować geny kontrolujące rozmiary ciała i wytłumaczyć mechanizmy ich działania. W rozwiązaniu zagadki pomoże odczytanie informacji zawartych w genomie nicienia – organizmu mikroskopijnej wielkości o nazwie Caenorhabditis elegans, i zbadanie genów naszego domowego psa. Ostateczną odpowiedź uzyskają naukowcy po zbadaniu naszych własnych genów i mechanizmów komórkowych regulujących wzrost.
Szczególną rolę odgrywają te geny, które przetrwały w podobnej formie miliony lat ewolucji u bardzo odległych ewolucyjnie organizmów. Pod koniec ubiegłego roku zestawiono po raz pierwszy cały genom tego nicienia. Wybrano organizm o niezwykle prostej budowie ciała, gdyż jego genom jest stosunkowo mały. Sukces genetyków otwiera możliwości badania funkcji wielu genów ludzkich właśnie przez porównanie z genami robaka.
Ładne oczy masz
Ciało tego nicienia buduje stała liczba komórek. U dorosłego osobnika jest ich dokładnie 956. Biolodzy prześledzili dokładnie losy każdej z nich. Wiadomo więc, że komórka A da w kolejnych podziałach komórki A1, A2 itd. Wiadomo, ile razy się podzieli i kiedy umrze. A więc oprócz genetycznie zaprogramowanej liczby i sposobu podziału komórek istnieje w genomie informacja o ich śmierci. Równowaga pomiędzy szybkością namnażania się komórek (czyli ich proliferacją) i śmiercią decyduje o liczbie komórek, a więc i o rozmiarach poszczególnych organów i całego ciała robaka.
Według podobnego wzorca przebiega kontrola rozmiarów organizmu człowieka, chociaż nasz organizm zbudowany jest z o wiele większej i w dodatku bardzo zmiennej liczby komórek. Jest ich aż 10 do 13 potęgi. Co ważniejsze, historia linii komórkowych naszych organów nie jest tak precyzyjnie wyznaczona jak u robaka. Pomimo tej niezwykłej plastyczności organizmu właśnie równowaga pomiędzy namnażaniem i śmiercią komórek decyduje o ich liczbie – tak samo jak u nicienia. Identyfikacja genów robaka odpowiedzialnych za wzrost umożliwi – na zasadzie podobieństw sekwencji DNA – odnalezienie genów ludzkich, zaangażowanych w podobne funkcje. Można jednak liczyć tylko na identyfikację najistotniejszych odpowiedników genów robaka i człowieka, bo tylko one przetrwały zmiany podczas milionów lat ewolucji.
Każdy gen występuje jednak w bardzo wielu różnych formach, zwanych allelami. Najlepszy przykład – kolor naszych oczu. Bywa on niebieski, zielony, piwny lub wręcz czarny, w zależności od tego, jaki allel genu określa rodzaj albo rozmieszczenie barwnika w naszych tęczówkach. Częstość występowania różnych alleli jest charakterystyczna dla różnych populacji. Czy widział ktoś Murzyna o niebieskich oczach albo Szweda o prawie czarnych tęczówkach? Nie. Dzieje się tak z powodu nierównomiernego występowania różnych alleli określających kolor oczu.
Różne grupy etniczne charakteryzuje odpowiednia proporcja poszczególnych alleli. W dodatku ta równowaga zmienia się wraz z częstością przenikania alleli z innych populacji. Tak też dzieje się z genami regulującymi wzrost. Wiadomo, że statystycznie najwyżsi wśród Europejczyków są Holendrzy. Biali Amerykanie górują nad Europejczykami. Eskimosi i Pigmeje plasują się na drugim końcu tej listy. Co więcej, ci najwyżsi mają tendencję do zwiększania swoich gabarytów z generacji na generację.
Na psa urok
Tak samo, jak do identyfikacji funkcji genów, tak do poznania różnorodności alleli biolodzy potrzebują materiału porównawczego. Dla poznania alleli genów regulujących wzrost idealnym modelem wydaje się nasz domowy pies – Canis familiaris. Zróżnicowanie tych alleli jest u psów różnych ras tak dobrze zaznaczone, jak u żadnego innego gatunku. Wystarczy porównać ratlerka z dogiem niemieckim czy chihuahua z bernardynem. Pomimo tak olbrzymich różnic wielkości są to przedstawiciele tego samego gatunku. Ich genomy są więc zaopatrzone w dokładnie ten sam zestaw genów. Różni je jedynie zestaw alleli. Niektóre rasy występują w identycznej formie, lecz w krańcowo różnym formacie.
Istnieją miniaturowe, średnie i olbrzymie pudle czy sznaucery. Wydaje się, że w przypadku tych właśnie ras allele genów odpowiedzialnych za cały wygląd zewnętrzny są identyczne, a zróżnicowanie dotyczy wyłącznie alleli genów wzrostu. Z tego powodu (choć nie tylko, bo u psów występuje również wiele chorób dziedzicznych, mających odpowiedniki u ludzi, np. myopatia Duchenna lub liczne wady wzroku) prowadzi się w wielu laboratoriach kartografie genów psów. Badania te polegają na identyfikacji genów i ich rozmieszczenia w chromosomach. Istnienie rodowodów psich arystokratów pozwala na precyzyjne odtworzenie historii poszczególnych osobników, czyli historii ich genów. Można też zaplanować odpowiednie krzyżowanie wybranych osobników. W ten sposób uzyskuje się albo dalsze czyste linie, albo przeciwnie – zaburza się uformowaną od wieków rasę, wprowadzając do niej obce allele.
Obserwacja efektów tych zmian może dać wiele cennych informacji, dotyczących dziedziczenia takich cech, jak właśnie rozmiary ciała. Do badań genetycznych wystarczy pobranie kilku komórek, aby namnożyć je in vitro w laboratorium i analizować zawartość ich DNA. Poznanie genów psów przyczyni się już niedługo do ujawnienia tajników regulacji rozmiarów ciała ssaków oraz identyfikacji genów niektórych chorób dziedzicznych, występujących również u ludzi.
Brak precyzyjnej informacji o genetyce regulacji wzrostu nie przeszkadza w poznawaniu mechanizmów regulacyjnych na poziomie komórki czy organizmu. Badając mechanizmy wzrostu tak różnych organizmów jak muszka owocowa, wspomniany już nicień, mysz albo krowa naukowcy uzyskali ostatnio wiele cennych informacji, które pozwalają na zrozumienie podstaw regulacji rozmiarów również u ludzi.
Dialog komórek
Równowaga pomiędzy namnażaniem się komórek a ich zaprogramowaną śmiercią jest, jak wspomniałem, podstawowym elementem tej kontroli. Wykryto ostatnio, że jednym z głównych regulatorów szybkości namnażania się komórek i liczby podziałów, które są one w stanie przejść (a więc potencjalnej liczby komórkowego potomstwa, dającego masę organu i całego ciała), jest grupa niewielkich białek – inhibitorów enzymów CDK (ang. cyklin–dependent kinase). Enzymy CDK są niezbędne do regulacji cyklu komórkowego, a więc namnażania się komórek. Ich inhibitory mogą spowalniać podziały komórkowe właśnie przez ograniczenie pracy enzymów CDK. Co więcej, poziom tych inhibitorów w komórce jest regulowany przez dialog pomiędzy komórkami, które przekazują między sobą różne informacje.
Komórki wysyłają między sobą sygnały chemiczne, które regulują ilość produkowanych inhibitorów CDK. Jeśli komórek wysyłających czynniki wzrostu, np. TGF–beta (ang. transforming growth factor) jest bardzo dużo, to sygnał jest mocny. Inne komórki reagują produkcją inhibitorów CDK i przestają się dzielić. Jeśli jest ich mało, to sygnał jest słaby i komórki utrzymują niski poziom inhibitorów CDK. Ich cykl komórkowy nie jest hamowany, a więc przechodzą więcej podziałów komórkowych. Przybywanie nowych komórek wzmacnia sygnał TGF–beta o syntezie nowych cząsteczek inhibitora CDK i równowaga pomiędzy stymulacją i hamowaniem namnażania jest zachowana.
Taki system regulacyjny wydaje się podstawowym elementem kontroli rozmiarów organów i całego ciała. Do grupy inhibitorów CDK należy białko Kip1. Biolodzy opisali przytoczony powyżej mechanizm dzięki wyhodowaniu myszy pozbawionych genu kodującego to białko. Okazało się, że takie myszy mają większe rozmiary i o wiele częściej chorują na nowotwory. W ten sposób wykryto również związek pomiędzy kontrolą wzrostu i procesem nowotworzenia. Białka CDK i ich inhibitory są wspólnym ogniwem obu procesów. Wykryto ostatnio odpowiedniki genu Kip1 u muszki owocowej i nicienia Caenorhabditis elegans. Badania nad tym białkiem u wszystkich trzech organizmów pozwoliły stwierdzić, że ten sam mechanizm regulacyjny działa u nicieni, owadów i ssaków, a więc zapewne w całym świecie zwierzęcym.
Istnieje wiele innych przykładów podobnej regulacji, opartej na dialogu pomiędzy komórkami i obiegu informacji o zwiększaniu lub zmniejszaniu liczby komórek w danym organie. Wzrost odnawiającego się organu jest regulowany podobnie jak podczas rozwoju zarodkowego i prowadzi do osiągnięcia ponownie normalnych rozmiarów.
Mysz, która urosła
Dzięki ostatnim badaniom przeprowadzonym na myszach wykryto substancję przekazującą informacje o regulacji masy mięśni. Nazwano ją myostatyna. Myostatyna należy do grupy czynników wzrostu z rodziny TGF–beta. U myszy pozbawionych genu kodującego myostatynę (a więc nie produkujących tego czynnika) stwierdzono niezwykły, trzykrotnie większy od normalnych myszy, wzrost masy mięśniowej. Istnieją mięsne rasy krów, np. Belgian Blue, które wykazują podobny przerost mięśni. Naukowcy wykryli u tej rasy zmutowany gen kodujący myostatynę. Badają teraz, jak to białko wpływa na namnażanie się i wzrost komórek mięśniowych.
Jeszcze w latach 50. pionier embriologii eksperymentalnej ssaków prof. Andrzej K. Tarkowski z Zakładu Embriologii Uniwersytetu Warszawskiego wykazał, że zmniejszenie do połowy masy zarodka myszy (przez usunięcie jednej z dwóch pierwszych jego komórek) nie przeszkadza w pełnym rozwoju organizmu do normalnych rozmiarów. Mechanizm pozwalający zachować równowagę liczby komórek ciała występuje więc już w życiu płodowym. Dlatego np. pobranie kilku komórek z zarodków pochodzących z zapłodnienia in vitro do celów diagnostycznych nie osłabia ich zdolności rozwojowych i nie zmienia przyszłych rozmiarów ciała noworodka.
Co ciekawe, przez pewien czas po zapłodnieniu komórki zarodka namnażają się przez kolejne podziały, ale nie rosną. Dopiero w pewnym momencie włącza się mechanizm wzrostu i od tej pory każda z nich podzieli się dopiero po podwojeniu swojej masy. Następuje sprzężenie regulacji cyklu komórkowego i wzrostu komórki. Embriolodzy chcieliby poznać ten mechanizm istotny dla rozwikłania tajemnicy naszego wzrostu. Badania nad regulacją cyklu komórkowego i identyfikacją odpowiednich genów odegrają tu kluczową rolę.
Autor jest biologiem, pracuje w CNRS, Uniwersytet Rennes 1 we Francji.