Πόσα μυστικά κρύβει ακόμη το DNA

Είναι το πιο μελετημένο, το πιο πολυφωτογραφημένο και το πλέον αναγνωρίσιμο χημικό μόριο. Και αν αναλογισθεί κανείς ότι υπάρχουμε χάρη στις μοναδικές ικανότητές του (σταθερότητα, δυνατότητα αυτοαναπαραγωγής, λειτουργικότητα ως παρακαταθήκη κωδικοποιημένης πληροφορίας), τότε το DNA μάλλον αξίζει τη διασημότητα που απολαμβάνει. Φαντασθείτε λοιπόν την έκπληξη των επιστημόνων που μελετούν το μόριο στο οποίο είναι γραμμένες οι οδηγίες για τη δημιουργία όλων των ζωντανών οργανισμών που υπάρχουν στον πλανήτη Γη, όταν ανακάλυψαν ότι στο DNA υπάρχουν περισσότεροι του ενός κώδικες. Ειδικότερα, οι αλληλουχίες του που λειτουργούν ως κωδικοποιημένη πληροφορία για τη σύνθεση των πρωτεϊνών μπορούν επίσης να χρησιμοποιούνται και ως ρυθμιστικές. Με άλλα λόγια, οι αλληλουχίες αυτές παίρνουν μέρος στο παιχνίδι της διοίκησης: καθορίζουν ποια χρονική στιγμή και σε ποιο κύτταρο θα συντεθούν αυτές οι πρωτεΐνες. Τώρα αν διερωτάσθε πώς είναι δυνατόν να υπάρχουν περισσότεροι του ενός κώδικες γραμμένοι στο ίδιο μόριο και πώς αυτό επέδρασε κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, οι ερευνητές το παραδέχονται: το εύρημά τους απαντά μεν σε ερωτήματα του παρελθόντος αλλά γεννά ακόμη περισσότερα.

Μετά την πλήρη αποκωδικοποίησή του, θα περίμενε κανείς ότι οι ερευνητές γνωρίζουν το DNΑ σαν την παλάμη τους. Στο κάτω-κάτω η αποκωδικοποίηση, η οποία ολοκληρώθηκε στα πρώτα χρόνια του αιώνα που διανύουμε, δεν ήταν παρά το αποκορύφωμα μιας σειράς ερευνητικών προσπαθειών οι οποίες κατά το δεύτερο μισό του 20ού αιώνα αποκάλυψαν τον κεντρικό ρόλο που διαδραματίζει το μόριο της ζωής και της κληρονομικότητας. Ολα όμως δείχνουν ότι το DNA κρατά ακόμη πολλά μυστικά και ότι 60 χρόνια εντατικής έρευνας δεν ήταν αρκετά για να τα αποκαλύψουν: μόλις τον περασμένο μήνα έκπληκτοι οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κωδική γλώσσα του DNA είναι διττή! Ναι, οι αλληλουχίες του DNA στις οποίες είναι εγγεγραμμένες οι πληροφορίες για τη σύνθεση των πρωτεϊνών μπορούν ταυτόχρονα να ελέγχουν και τις εντολές σχετικά με το πού και πότε θα συντεθούν αυτές οι πρωτεΐνες. Πώς μπορούν να υπάρχουν όμως δύο κώδικες στο ίδιο τμήμα του γενετικού υλικού; Και δεν υπάρχει «σύγκρουση συμφερόντων» ανάμεσά τους; Τα ερωτήματα που γεννώνται είναι τόσο πολλά και οι απαντήσεις είναι βέβαιον ότι θα επανασχεδιάσουν τον γενετικό μας χάρτη.

Το «σπάσιμο» του κώδικα της ζωής

Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή: αμέσως μετά την αποκάλυψη της δομής του DNA από τους Watson και Crick έγινε φανερό ότι το μόριο αυτό μπορούσε όντως να λειτουργήσει ως κώδικας, ο οποίος είχε μάλιστα την ικανότητα να αυτοαναπαράγεται (καθώς η συμπληρωματικότητα των δύο αλυσίδων της διπλής έλικας επέτρεπε τη δημιουργία της μιας από την άλλη). Επρόκειτο δε για έναν σχετικά απλό κώδικα, αν σκεφθεί κανείς ότι αποτελούνταν από τέσσερα μόνο σύμβολα: τα Α, Τ, G, C που είναι τα αρχικά στην αγγλική για τις τέσσερις βάσεις (αδενίνη, θυμίνη, γουανίνη και κυτοσίνη), οι οποίες στο μόριο του DNA «διανθίζουν» τον φωσφορικό σκελετό του. Ενα κωδικοποιημένο μήνυμα στη γλώσσα του DNΑ λοιπόν δεν θα ήταν παρά μια αλληλουχία από τα παραπάνω γράμματα. Παραδείγματος χάριν: ATTGCCGTATATGGTAAATGCCAGTGTTTACACGTG… Στην πραγματικότητα αυτό που έκαναν οι επιστήμονες που αποκωδικοποίησαν το ανθρώπινο γονιδίωμα δεν ήταν παρά να βρουν με ποια σειρά τοποθετούνταν τα 3 δισεκατομμύρια των βάσεων στις οποίες είναι καταγεγραμμένες οι οδηγίες για τη δημιουργία των ανθρώπων.

Το σπάσιμο του κώδικα αυτού είχε αρχίσει μερικές δεκαετίες πριν, όταν οι πρωτοπόροι της μοριακής βιολογίας αποδείκνυαν ότι κάθε τριπλέτα αυτού του κώδικα αντιστοιχούσε σε ένα αμινοξύ μιας πρωτεΐνης. Παραδείγματος χάριν, η τριπλέτα ATG είναι ο κωδικός για το αμινοξύ μεθειονίνη το οποίο τοποθετείται πάντοτε στην αρχή των πρωτεϊνών καθιστώντας την τριπλέτα αυτή τριπλέτα έναρξης του κωδικοποιημένου μηνύματος.

Ολοι οι δυνατοί συνδυασμοί για την τοποθέτηση των 4 γραμμάτων σε σειρά των τριών είναι 64 (43). Τα αμινοξέα όμως που υπάρχουν σε όλες μας τις πρωτεΐνες δεν είναι παρά μόνο είκοσι. Οπως λοιπόν διαπιστώθηκε πολύ νωρίς, ορισμένα αμινοξέα κωδικοποιούνται από περισσότερες τριπλέτες (παραδείγματος χάριν, το αμινοξύ ισολευκίνη κωδικοποιείται από τις τριπλέτες ΑΤΤ, ΑΤC και ATA), ενώ υπάρχουν και τρεις τριπλέτες που λειτουργούν ως κωδικοί λήξης του κωδικοποιημένου μηνύματος και κατ’ επέκταση της πρωτεϊνοσύνθεσης.

Η ύπαρξη περισσοτέρων του ενός κωδικών για ορισμένα αμινοξέα δεν ξένισε τους ερευνητές. Το αντίθετο! Ηταν μάλλον αναμενόμενη, καθώς παρέχει έναν βαθμό ελευθερίας που είναι ζωτικής σημασίας. Πολλές φορές λοιπόν ένα λάθος στην αντιγραφή του DNA μπορεί να μην έχει κανέναν αντίκτυπο στη δομή και στη λειτουργία της παραγόμενης υπό τις οδηγίες του πρωτεΐνης. Ετσι στο παράδειγμα της ισολευκίνης, ένα λάθος που θα μετέτρεπε το τρίτο γράμμα της τριπλέτας από Α σε Τ ή σε C δεν θα άλλαζε την οδηγία: και πάλι η πρωτεΐνη θα είχε ισολευκίνη στη δεδομένη θέση.

Οι επικίνδυνες αλλαγές

Φυσικά δεν είναι όλες οι αλλαγές του κώδικα εξίσου ακίνδυνες για την τύχη των πρωτεϊνών και των οργανισμών που τις φέρουν. Παραδείγματος χάριν, αρκεί μόνο μια αλλαγή (μετάλλαξη στη γλώσσα των βιολόγων) ενός και μόνο γράμματος στο DNA που κωδικοποιεί για τη σύνθεση της αιμοσφαιρίνης και η παραγόμενη πρωτεΐνη δεν είναι λειτουργική, με αποτέλεσμα την εμφάνιση της μεσογειακής αναιμίας.

Στα πρώιμα χρόνια της μοριακής βιολογίας οι ερευνητές χώρισαν το DNA σε χρήσιμο (αυτό που περιείχε γονίδια, κωδικές αλληλουχίες για τη σύνθεση των πρωτεϊνών) και μη. Αυτό το δεύτερο το θεώρησαν τόσο άχρηστο ώστε το ονόμασαν σκουπίδι (junk DNA). Βαθμηδόν όμως κατάλαβαν ότι μακράν τού να είναι άχρηστο το DNA αυτό, το οποίο παρεμβάλλεται ανάμεσα στα γονίδια, παίζει σημαντικότατο ρόλο λαμβάνοντας μέρος σε καίριες αποφάσεις σχετικά με το πότε και πού θα εκφραστεί ένα γονίδιο (και κατ’ επέκταση σε ποιον κυτταρικό τύπο και σε ποια χρονική στιγμή θα παραχθεί μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη). Αναγνωρίζοντας συγκεκριμένες αλληλουχίες (μήκους μεγαλυτέρου των τριών βάσεων) σε αυτό το DNA μόρια της πρωτεϊνοσυνθετικής μηχανής του κυττάρου προσδένονται πάνω του προκειμένου να επιτελέσουν τον ρόλο τους.

Ο αναπληρωτής καθηγητής κ. Γιάννης Σταματογιαννόπουλος

Μέχρι πρότινος λοιπόν τα πράγματα ήταν ξεκάθαρα: ένα μικρό μόνο μέρος των τριών δισεκατομμυρίων βάσεων του DNA μας είχε κωδικό ρόλο, αντιστοιχούσε δηλαδή στα περίπου 20.500 γονίδιά μας. Το υπόλοιπο εμπλεκόταν στη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων, ενώ ένα μέρος του είχε και δομικό ρόλο. Φανταστείτε λοιπόν την έκπληξη των ερευνητών του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ των ΗΠΑ όταν διαπίστωσαν ότι οι «αρμοδιότητες» δεν ήταν τόσο ξεκάθαρες. Οπως χαρακτηριστικά δήλωσε μιλώντας στο «Βήμα» ο αναπληρωτής καθηγητής Επιστημών του Γονιδιώματος και Ιατρικής και επικεφαλής των ερευνών έλληνας βιολόγος Γιάννης Σταματογιαννόπουλος, «αυτός ο διαχωρισμός δεν αποδίδει πια την πραγματικότητα».

Ο διττός κωδικεύων ρόλος

Η ερευνητική ομάδα του κ. Σταματογιαννόπουλου συμμετέχει στο διεθνές ερευνητικό πρόγραμμα ENCODE, το οποίο έχει στόχο να εντοπίσει μεταξύ άλλων και τις περιοχές του γονιδιώματος με ρυθμιστικό ρόλο στην έκφραση των γονιδίων. Εφαρμόζοντας κατάλληλες μοριακές τεχνικές οι ερευνητές χαρτογραφούν σπιθαμή προς σπιθαμή το γενετικό υλικό. Οπως ανέφεραν λοιπόν στο σχετικό άρθρο τους, το οποίο δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Science», η αλληλουχία του DNA που λειτουργεί ως κωδική πληροφορία για τη σύνθεση των πρωτεϊνών (τα εξόνια στη γλώσσα των βιολόγων) μπορεί επίσης να χρησιμεύσει και ως κωδικός για παράγοντες που ρυθμίζουν την έκφραση των γονιδίων (μεταγραφικοί παράγοντες, transcription factors). «Διαπιστώσαμε ότι ένα ποσοστό της τάξεως του 15% των εξονίων έχει διττό κωδικεύοντα ρόλο» δήλωσε μιλώντας ο έλληνας ερευνητής και εξήγησε: «Εκτός από το να μεταγράφεται σε RNA για να χρησιμεύσει στη σύνθεση των πρωτεϊνών, αποτελεί και σημείο πρόσδεσης μορίων που ρυθμίζουν πότε και πού θα εκφραστούν τα γονίδια».

ΕΞΕΛΙΞΗ
Ακολουθώντας το νήμα της ζωής
Μία από τις εντυπωσιακότερες στιγμές σε ένα εργαστήριο βιολογίας είναι η απομόνωση του DNA ενός οργανισμού: λίγες σταγόνες αίμα ή μερικά φύλλα ενός φυτού, ένζυμα που θα σπάσουν τα κυτταρικά τοιχώματα και εκχυλίσεις που θα απομακρύνουν τα λιπίδια και τις πρωτεΐνες των κυττάρων, και η πολυπόθητη στιγμή φθάνει. Το DNA παρουσία άλατος και αιθανόλης κατακρημνίζεται στον πυθμένα του δοκιμαστικού σωλήνα δημιουργώντας ίνες που χορεύουν στα κύματα της αλκοόλης. Η δημιουργία ινών που είναι ορατές με γυμνό μάτι δεν είναι τυχαία. Το DNA είναι ένα γραμμικό μεγαλομόριο το οποίο μέσα στα κύτταρά μας είναι, τον περισσότερο καιρό, πολύ σφιχτά πακεταρισμένο.

Αυτή η γραμμική εικόνα του DNA, η οποία με ακολουθεί από το πανεπιστήμιο (τότε που στα εργαστήρια του μαθήματος της Μοριακής Βιολογίας οι φοιτητές βλέπουν επιτέλους την «πρώτη ύλη» των σπουδών τους), έχει γεννήσει στο μυαλό μου μιαν άλλη: αν σκεφθεί κανείς ότι ο καθένας από εμάς περιέχει DNA από τον πατέρα του και τη μητέρα του, και εκείνοι με τη σειρά τους το DNA των δικών τους γονέων, μπορεί να φανταστεί ότι όλοι οι άνθρωποι, ζώντες και μη, είμαστε συνδεδεμένοι με μιαν αόρατη κλωστή, αυτήν που κληρονομούμε από τους γονείς μας και την κληροδοτούμε στα παιδιά μας. Αν επεκτείνει κανείς αυτή τη νοητή κλωστή στο παρελθόν, θα φθάσει σε μια πρώτη διακλάδωση, στον κοινό πρόγονο του ανθρώπου με τα άλλα πρωτεύοντα θηλαστικά. Αν συνεχίσει τη διαδρομή, έπειτα από συνεχείς διακλαδώσεις θα φθάνει σε όλο και πιο απομακρυσμένους από εμάς μεν, απολύτως προγόνους μας δε. Δεν υπάρχει μεγαλύτερη απόδειξη για την ορθότητα της θεωρίας του Δαρβίνου από την ύπαρξη του DNA! Είτε προέρχεται από βακτήρια, είτε από άνθρωπο, είτε από φυτά είτε από θαλάσσιους οργανισμούς, απαρτίζεται πάντοτε από τα ίδια τέσσερα γράμματα και λειτουργεί πάντοτε ως ο κώδικας στον οποίο είναι γραμμένη η συνταγή για τη δημιουργία ενός νέου ατόμου.

O δρ Αντυ Μπαξεβάνης

Εκμεταλλευόμενοι ακριβώς αυτή τη γραμμική συνέχεια των ειδών, οι ερευνητές εξάγουν πολύτιμα συμπεράσματα συγκρίνοντας το γενετικό υλικό τους. Αυτό έκανε πρόσφατα και η ομάδα τού ελληνικής καταγωγής βιολόγου Ανδρέα (Αντυ) Μπαξεβάνη, ο οποίος ηγείται της Μονάδας Υπολογιστικής Γενομικής των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας (National Institutes of Health, NIH) των ΗΠΑ. Για την ακρίβεια, η ερευνητική ομάδα συνέκρινε το γονιδίωμα του κτενοφόρου Mnemiopsis leidyi (ενός θαλάσσιου οργανισμού του Ατλαντικού που μοιάζει αλλά δεν είναι μέδουσα) με είδη αντιπροσωπευτικά άλλων μεγάλων τάξεων και ξαναέγραψε την εξελικτική ιστορία μας.

Οπως αναφέρεται στο άρθρο της ερευνητικής ομάδας στην επιθεώρηση «Science» (13 Δεκεμβρίου 2013), τα ευρήματά τους όχι μόνο ρίχνουν τους σπόγγους από το βάθρο τους (θεωρούνταν ως οι πρώτοι πολυκύτταροι πρόγονοί μας), αλλά αποδεικνύουν και ότι η εξέλιξη δεν είναι μια γραμμική πορεία από το απλούστερο στο συνθετότερο. Ειδικότερα, ο κ. Μπαξεβάνης και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα κτενοφόρα (τα οποία πήραν το όνομά τους από τις χαρακτηριστικές δομές που τα βοηθούν στην κολύμβηση και οι οποίες μοιάζουν με χτένες) είναι αρχαιότερα από τους σπόγγους, παρά το γεγονός ότι οι σπόγγοι έχουν απλούστερη μορφολογία.

ΧΡΟΝΟΛΟΓΙΟ
Από την αφάνεια σε κεντρικό ρόλο

1869 Ο ελβετός γιατρός Friedrich Miecher απομονώνει ένα πλούσιο σε φώσφορο υλικό από κύτταρα αίματος και αμέσως μετά από σπερματοκύτταρα σολομού. Το υλικό εντοπίζεται στον πυρήνα (nucleus) των κυττάρων και ο Miecher το ονομάζει νουκλεΐνη.

1889 Ο Richard Altmann, μαθητής του Miecher, ονομάζει νουκλεϊνικό οξύ το απαλλαγμένο από πρωτεϊνικές προσμείξεις υλικό που εντοπίζεται στα χρωμοσώματα (ορατά με μικροσκόπιο).

1928 Ο βρετανός βακτηριολόγος Frederick Griffith κατέδειξε ότι η ταυτότητα ενός στελέχους πνευμονιόκοκκου άλλαζε όταν το ανακάτευε με ένα άλλο στέλεχος που είχε θανατωθεί (το ζωντανό στέλεχος αποκτούσε τις ιδιότητες του νεκρού στελέχους).

1943 Ο καναδικής καταγωγής αμερικανός γιατρός και ερευνητής Oswald Avery και οι συνεργάτες του Colin MacLeod και Maclyn McCarty επανέλαβαν το πείραμα του Griffith και απέδειξαν ότι η μεταμόρφωση των βακτηρίων οφειλόταν στο DNA.

1947 Ο αυστριακός χημικός Erwin Chargaff δημοσιεύει τα αποτελέσματα των ερευνών του που δείχνουν ότι ανεξαρτήτως προέλευσης, σε ένα μόριο DNA τα ποσά αδενίνης (Α) είναι ίσα με τα ποσά της θυμίνης (Τ) και τα ποσά γουανίνης (G) ίσα με τα ποσά κυτοσίνης (C).

1952 Οι αμερικανοί γενετιστές Alfred Hershey και Martha Chase κατέδειξαν ότι το DNA και όχι οι πρωτεΐνες είναι το γενετικό υλικό του βακτηριοφάγου Τ2. (Οι βακτηριοφάγοι είναι μια κατηγορία ιών που προσβάλλουν βακτήρια. Μελετήθηκαν κατά κόρον όταν η μοριακή βιολογία ήταν στα σπάργανα.)

1953 Οι James Watson και Francis Crick διαλεύκαναν τη δομή του DNA (διπλή έλικα) βασιζόμενοι σε κρυσταλλογραφικά δεδομένα των Rosalind Franklin και Raymond Gosling, αλλά και στα ευρήματα του Erwin Chargaff. Στο διάσημο πια άρθρο τους στην επιθεώρηση «Nature» (τεύχος της 25ης Απριλίου) σημείωναν ότι δεν διέλαθε την προσοχή τους ότι το μόριο ενείχε ιδιότητες που το καθιστούσαν ικανό να παίξει τον ρόλο του γενετικού υλικού.

1957 Ο Francis Crick περιγράφει το «Κεντρικό Δόγμα», όπως ονομάστηκε, της μοριακής βιολογίας. Σύμφωνα με αυτό, το DNA αποτελεί την κωδική γλώσσα στην οποία είναι γραμμένη η πληροφορία για τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Tον ρόλο του μεταφορέα της πληροφορίας παίζει το RNA.

1958 Ο αμερικανός γενετιστής Matthew Meselson και ο συμπατριώτης του Franklin Stahl καταδεικνύουν ότι το DNA πολλαπλασιάζεται ημισυντηρητικά: η μία αλυσίδα χρησιμοποιείται ως μήτρα για τη σύνθεση της συμπληρωματικής της. Με αυτόν τον τρόπο κάθε νέα έλικα DNΑ περιέχει μια παλιά και μια νέα αλυσίδα.

1966 Ο ινδικής καταγωγής αμερικανός βιοχημικός Har Gobind Khorana και ο αμερικανός βιοχημικός και γενετιστής Marshal Nirenberg σπάνε τον κώδικα του DNA. Αποκαλύπτουν ότι οι βάσεις του DNA διαβάζονται σε τριπλέτες και ότι συγκεκριμένες τριπλέτες αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα αμινοξέα στην πρωτεϊνική αλληλουχία. Αποκαλύπτουν επίσης ότι ο κώδικας είναι εκφυλισμένος: για τα 20 αμινοξέα από τα οποία δημιουργούνται όλες οι πρωτεΐνες υπάρχουν 64 τριπλέτες. Με άλλα λόγια, ορισμένα αμινοξέα κωδικοποιούνται από περισσότερες της μιας τριπλέτας.

1973 Οι αμερικανοί βιολόγοι Walter Gilbert και Allan Maxam επινοούν μια μέθοδο που επιτρέπει την αλληλούχιση του DNA, την εύρεση δηλαδή της αλληλουχίας των βάσεών του. Ακολουθεί τρία χρόνια αργότερα η επινόηση μιας άλλης μεθόδου από τον βρετανό βιολόγο Frederick Sanger.

1974 Οι αμερικανοί βιολόγοι Stanley Norman Cohen και Herbert Boyer ανέπτυξαν την τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA. Καταδεικνύοντας ότι μπορούν να κόψουν και να ράψουν το DNA έθεσαν τις βάσεις για την ανάπτυξη της βιοτεχνολογίας.

1977 Αποκωδικοποιείται το DNA του βακτηριοφάγου φΧ174. Αποτελείται από μόλις 5.375 βάσεις. Ο ιός Epstein-Barr ο οποίος αποκωδικοποιείται το 1984 έχει 170.000 βάσεις.

2000 Αποκωδικοποιείται το ανθρώπινο γονιδίωμα (3 δισεκατομμύρια βάσεις, οργανωμένες σε 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων) και αρχίζει μια νέα εκθετική ανάπτυξη της βιολογίας.

2000-… Η εποχή των -omics, των αναλύσεων μεγάλης κλίμακας για τις οποίες απαιτείται παράλληλη ανάπτυξη υπολογιστικής τεχνολογίας. Σε ό,τι αφορά το DNA, μετά τη γενωμική (genomics), αναπτύσσεται η επιγενετική (epigenomics), η μεταγενωμική (metagenomics), η μεταγραφωματική (trancriptomics), ενώ παράλληλα αρχίζουν αντίστοιχα προγράμματα για τις πρωτεΐνες (proteomics) και τα λιπίδια (lipidomics).