Forside > Arkiv > 2013 > Mennesker har like mange gener som en primitiv rundorm! Hva er da unikt med oss?

Mennesker har like mange gener som en primitiv rundorm! Hva er da unikt med oss?

Etter at forskere kartla menneskets DNA og bare fant rundt 25 000 gener, har de oppdaget nye ”språk” i arvematerialet som trolig kan forklare hvorfor vi er langt mer komplekse vesener enn andre med omtrent like mange gener.

Tekst Johnny Laupsa-Borge     Foto Shutterstock

Diskusjonen om hva som har størst betydning for våre karaktertrekk – arv eller miljø – har pågått lenge blant leg og lærd. De siste års forskning innen genetikk (læren om hvordan gener fungerer) har imidlertid kastet nytt lys over denne diskusjonen. Troen på at det først og fremst er genene som styrer vår biologi, fikk en alvorlig knekk da man begynte å kartlegge menneskets arvemateriale og fikk ”fasiten” ved årtusenskiftet.

Før år 2000 var det blant mange forskere opplest og vedtatt at menneskets arvemateriale måtte inneholde minst 120 000 gener for å kunne lage alle proteinene vi trenger til kroppens milliarder av celler. Der tok de skammelig feil.1 Katalogen over menneskets arvemateriale viste i 2004 at vi har bare rundt 25 000 gener, et tall som seinere er nedjustert til rundt 21 000.2,3 Det er ikke flere enn det man har kartlagt hos blant annet rotter, mus og en primitiv rundorm med ca. 1 000 celler.

Etter denne oppdagelsen hadde forskerne all grunn til å spørre: Hva er det egentlig som styrer menneskets utvikling og organiserer våre hundre tusen milliarder (1014) celler i komplekse strukturer med avanserte egenskaper? Hvorfor har vi ikke flere gener? Spørsmålene ledet forskerne inn i arvematerialets ukjente områder på jakt etter det unike som skiller mennesket fra rundormer, bananfluer, rotter og andre skapninger vi føler lite slektskap med.

Det sentrale dogmet

Da man oppdaget at det var nok med bare DNA for å overføre egenskaper til en ny celle, ble dette molekylet biologiens nye superstjerne. Francis Crick formulerte etter hvert det sentrale dogmet i molekylær biologi. Forestillingen var at det fantes ett gen for hvert protein i kroppen og at det primært er DNA som styrer organismen, både fysiske karaktertrekk, emosjoner og atferd. Dogmet var med på å utløse en tidsalder med genetisk determinisme (det at en organismes gener helt og holdent avgjør hvordan den blir), som sto særlig sterkt fra 1950- til 1970-tallet.

Den britiske genetikeren Mae-Wan Ho (f. 1941 i Hong Kong) har beskrevet det sentrale dogmet på følgende måte:6

● DNA (og i noen virus RNA) er det genetiske materialet.

● Genetisk informasjon flyter i én retning fra DNA til RNA og videre til protein i form av kodende tripletter.

● Basesekvensen i det avleste RNA-et er en komplementær kopi av det proteinkodende genet i DNA.

● Ett gen koder for ett protein.

● Basesekvensen i genet samsvarer nøyaktig med rekkefølgen av aminosyrer i proteinet som genet koder for.

● Den genetiske koden er universell.

● Basesekvensen i et gen blir avlest i én retning uten overlapp.

● DNA-et i de fleste celler forblir uendret under organismens utvikling. Bare genene uttrykkes forskjellig i ulike typer vev (dvs. at ”levergener” uttrykkes i leveren, men ikke i hjernen).

● Effektene av ulike miljøfaktorer kan ikke nedarves.

Ifølge Mae-Wan Ho har forskning siden 1970-tallet vist at alle disse påstandene, bortsett fra den første, ikke samsvarer med den biologiske virkeligheten. For det første er genomet mye mer flytende og tilpasningsdyktig enn man tidligere trodde. For det andre oppdaget man på 1990-tallet at mennesket har langt færre gener enn først antatt. For det tredje aner man nå at DNA kommuniserer med flere ”språk” enn den kjente genetiske koden. Sist, men ikke minst, er det signaler fra miljøet som i høy grad regulerer genenes aktivitet og funksjon (se egen sak om epigenetikk). Likefullt skulle man tro at det sentrale dogmet lever i beste velgående. Mae-Wan Ho hevder at moderne genteknologi og dagens utvikling og bruk av genmodifiserte organismer bare gir mening hvis man tror fullt og helt på genetisk determinisme.

DNA-molekylet

Alle arter har genetisk informasjon eller arveanlegg i alle cellene, inkludert i kjønnscellene, noe som gjør det mulig for en art å reprodusere seg selv gjennom årtusener. På begynnelsen av 1900-tallet oppdaget man at den arvbare informasjonen som overføres fra generasjon til generasjon, finnes hos høyere organismer i cellekjernens kromosomer, det vil si trådliknende strukturer som blir synlige i lysmikroskop når en celle deler seg. Summen av all genetisk informasjon i en art kalles dets genom, og hos mennesket består det av 24 forskjellige kromosomer. Av disse er 22 kromosomer like hos begge kjønn og finnes som par i kjønnscellene. Kjønnet bestemmes av det 23. kromosomet, som finnes i to varianter, X (kvinnelig) og Y (mannlig). Barn arver 23 kromosomer fra mor og 23 fra far, i alt 46, og mannens kromosomer bestemmer kjønnet ved at hans sæd har begge kjønnskromosomene, mens kvinnens egg bare har XX.

På 1940-tallet viste forskere at det er DNA (deoksyribonukleinsyre) i disse kromosomene som inneholder den arvbare informasjonen,4 og i 1953 publiserte de amerikanske forskerne Francis Harry Compton Crick (1919-2004) og James Dewey Watson (f. 1928) den etter hvert berømte modellen over DNA-molekylets spesielle struktur,5 noe de fikk nobelprisen i fysiologi eller medisin for i 1962. Ved hjelp av denne modellen kunne man forklare hvordan DNA overfører informasjonen i den genetiske koden ved å kopiere seg selv under celledeling.

Den genetiske koden

Et DNA-molekyl består av to lange tråder som er kveilet opp ved siden av hverandre i en dobbeltspiral (dobbel heliks). I cellekjernen er DNA bundet til og kveilet rundt spesielle proteiner kalt histoner. Alle DNA-molekylene i én menneskecelle måler ca. 1,5 meter, mens den samlete lengden av DNA i alle kroppens celler utgjør ca. 400 ganger avstanden mellom jorda og sola.

Det genetiske språket benytter de samme prinsippene som et skriftspråk. Det vil si at bokstaver settes sammen til ord som brukes til å forme setninger med informasjon. Informasjonen eller ordene i vårt genetiske bibliotek lages av et alfabet som består av bare fire kjemiske bokstaver kalt nitrogenbaser. Disse basene heter adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og tymin (T) og er repetert flere millioner eller milliarder ganger i genomet.

Alle ordene er like lange og dannes ved å kombinere tre baser i en triplett eller kodon. I DNA-språket koder tre nitrogenbaser som følger etter hverandre, for én aminosyre, og dette kalles den genetiske koden. Imidlertid kan flere tripletter kode for samme aminosyre. Et gen består av en rekke tripletter og angir rekkefølgen av aminosyrer i et protein. Med andre ord inneholder genene informasjon om de proteinene kroppen trenger til ulike formål.

Overføring av informasjon

Informasjon om de proteinene kroppen trenger, overføres fra cellekjernen til ”proteinfabrikkene” (ribosomene) ved hjelp av en gruppe molekyler som kalles RNA (ribonukleinsyre) – en ”fetter” til DNA. Varianten som kalles budbringer-RNA eller mRNA (”messenger” RNA), er en komplementær kopi av et DNA-segment som inneholder et proteinkodende gen. Molekylet mRNA dannes når et spesielt enzym og andre proteiner leser av bokstavene i genet (eller flere gener).

I kjernen overføres først den genetiske informasjonen fra DNA til pre-mRNA, som deretter blir omdannet til ferdig mRNA. Dette molekylet transporteres fra cellekjernen til ribosomene og gir beskjed om hvilke proteiner som skal lages. Her blir sekvensen av nitrogenbaser i mRNA oversatt til rekkefølgen av aminosyrer i proteinet. En annen variant, overførings-RNA eller tRNA (”transfer” RNA), frakter aminosyrene til setet for proteinsyntesen. Det finnes én type tRNA for hver aminosyre.

100 000 proteiner

Tjue ulike aminosyrer inngår i kroppens proteiner, og mange proteiner er satt sammen av mer enn to tusen aminosyrer. Det finnes omtrent hundre tusen ulike proteiner i kroppen vår, og disse har avgjørende betydning for de aller fleste av cellenes funksjoner.

Proteinene bestemmer blant annet hvordan man ser ut, hvor godt kroppen fordøyer maten og bekjemper infeksjoner, og hvordan man oppfører seg. Kort sagt er proteinene selve urverket i livsprosessene ved at de endrer form som respons på kjemiske eller elektromagnetiske signaler. Endring fra en inaktiv til en aktiv form (kalt konformasjon) setter i gang kaskader av molekylbevegelser og kjemiske reaksjoner i cellene.

HUP fant bare 25 000 gener

På slutten av 1980-tallet begynte forskere arbeidet med å katalogisere alle genene i menneskets arvemateriale gjennom et stort internasjonalt prosjekt kalt det humane genomprosjektet (Human Genome Project, HUP). Prosjektet begynte formelt i oktober 1990 og ble i begynnelsen ledet av James D. Watson. Målet var å bestemme rekkefølgen av de kjemiske bokstavene eller baseparene som utgjør den genetiske koden, og identifisere alle genene i det menneskelige DNA.

I 2000 kom det første utkastet over menneskets genom, noe som skapte store overskrifter i verdenspressen, og i februar 2001 ble de første analysene publisert i Nature.1 Den daværende amerikanske presidenten Bill Clinton fikk æren av å annonsere at man nå hadde kartlagt majoriteten av de ca. tre milliarder nitrogenbasene som finnes i menneskets DNA-molekyl.7 Foran verdenspressen presenterte han resultatet som ”den genetiske arbeidstegningen for å produsere et menneske”. I 2003 kom et nesten ferdig kart over genomet basert på arvematerialet til 269 personer, som skulle representere et gjennomsnitt for menneskeheten. Fremdeles blir nye analyser publisert, og forskerne strever med å fastslå det omtrentlige antallet gener.

Basert på antallet kjente proteiner i kroppen forventet mange forskere at man skulle finne minst 120 000 gener. Så langt har man bare katalogisert et sted mellom 20 500 og 24 500 gener skrevet med den kjente genetiske koden. Tilhengere av det sentrale dogmet og genetisk determinisme har dermed fått et alvorlig forklaringsproblem. Det finnes ikke ett gen for hvert protein, og man kan ikke forklare menneskets kompleksitet ut i fra antallet gener på DNA-strengene.

I kjølvannet av denne oppdagelsen ligger en skremmende erkjennelse: Det er ikke stor forskjell på antallet gener man finner i mennesket og mer primitive organismer. En ting er at mennesker og rotter har omtrent det samme antall gener. Verre er det å forstå at den enkle rundormen Caenorhabditis elegans kan skilte med omtrent like mange. Ormen har en kropp bestående av nøyaktig 969 celler fordelt på noen få celletyper, og i dets genom har man funnet 19 735 gener som koder for proteiner.8

En av verdens ledende genetikere og vinner av nobelprisen i medisin eller fysiologi i 1975, David Baltimore (f. 1938), skrev i 2001 at resultatene fra det humane genomprosjektet tvinger oss til å tenke annerledes om hva som styrer livet og hva som er opphavet til vårt komplekse vesen.9

Flere språk i DNA

Fram til år 2000 trodde forskerne at de kjente den genetiske koden i cellenes DNA-molekyler. Imidlertid er dette bare én kode skrevet i ett språk, og dette ”biblioteket” med funksjonelle gener fyller ikke mer enn 2–3 prosent av menneskets genom. Den store delen av DNA-molekylet hvor man ikke har funnet gener skrevet med de kjente bokstavene, er betegnende nok blitt kalt ”søppel-DNA” (eng.: junk DNA). Det man tilsynelatende ikke kan bruke til noe, er jo søppel. Men der har man åpenbart tatt feil.

Ny forskning tyder på at den genetiske koden vi kjenner i dag, sannsynligvis bare er ett av flere språk i DNA. Det ser ut til at de lange og tilsynelatende ”tause” områdene av arvematerialet inneholder informasjon som meddeles med andre språk eller dialekter, og som er med på å forme organismen og regulere kroppsfunksjonene. Ennå vet forskerne lite om disse språkene, men trolig kan de ukjente kodene i ”søppel-DNA” gi noe av svaret på hvorfor komplekse organismer klarer seg med like få gener som mer primitive vesener.

Sammenliknet med mennesket har rundormen Caenorhabditis elegans mye mindre ikke-kodende DNA og totalt bare rundt hundre millioner basepar mot våre tre milliarder.8 Kanskje er det noe av årsaken til den store forskjellen mellom oss – at det ikke er så stille i de ”tause” områdene av arvematerialet. Vi har bare ikke lært de andre språkene ennå.

RNA-språket

Sannsynligvis må forskerne lete etter noe av hemmeligheten hos RNA-molekylene. Man har lenge kjent til noen få typer RNA, slik som mRNA og tRNA, men nå begynner forskerne å ane at lange segmenter av ”søppel-DNA” blir omskrevet til mange andre typer RNA, muligens et hundretalls ulike RNA-klasser.

Hvilken funksjon disse har, er det store spørsmålet som opptar forskerne. Av de få man hittil har forsket på, er det noen som endrer pre-mRNA til ferdig mRNA. Andre RNA-varianter henger ulike molekyler på mRNA for å finjustere arbeidsinstruksen deres. Hvis dette ikke skjer, kan det forstyrre organismens normale utvikling og utløse genetiske sykdommer.

Enkelte RNA er bitte små og kalles mikro-RNA. Disse kan henge seg på halen til mRNA og regulere eller hindre proteinsyntesen og på den måten finjustere mengdeforholdet mellom ulike proteiner.

Barnet ut med badevannet

Siden introduksjonen av genenes tidsalder har vi gang på gang hørt at vi er underdanige i forhold til deres nådeløse instruksjoner. Etter utallige oppslag i media om gener som disponerer for diverse sykdommer, kan man få inntrykk av at disse kodene mer eller mindre hensynsløst dirigerer våre liv mot en usikker skjebne vi har liten kontroll over. Heldigvis er det ikke slik. Vi har selv kontrollen og kan langt på vei styre hvordan en rekke gener uttrykkes gjennom bevisste valg av kosthold og livsstil.

Etter Watson og Crick har man i for liten grad fokusert på miljøets betydning. Blendet av DNA-molekylets fascinerende vesen hadde arkitektene bak det sentrale dogmet sett bort fra noe vesentlig: De hadde glemt halvparten av genomets byggesteiner, nemlig proteinene som DNA-trådene kveiler seg rundt, og som bidrar til å regulere genenes aktivitet og funksjoner.10

Siden 1940-tallet har forskere isolert DNA fra cellekjerner for å studere genetiske mekanismer. I dette arbeidet har det vært vanlig å trekke ut kjernen, åpne den beskyttende membranen og fjerne arvematerialet. De fleste forskerne konsentrerte seg om DNA-molekylet og kastet resten. Det var som å hive ut babyen med badevannet.

Mens det humane genomprosjektet pågikk og skapte store avisoverskrifter, arbeidet en annen gruppe forskere med et nytt, revolusjonerende felt innen biologien kalt epigenetikk.10 Epigenetikk betyr bokstavelig talt ”kontroll over genetikken”. Epigenetisk forskning har vist at proteinene som er knyttet til DNA, ikke bare regulerer genuttrykket, men er en viktig arvbar faktor i tillegg til den genetiske koden. Det relativt nye forskningsfeltet har endret vår forståelse av hva som styrer livsprosessene og hvordan dette skjer, noe du kan lese mer om i neste sak.

Kilder:

1.  Lander ES, Linton LM, Birren B mfl. Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature 2001; 409: 860-921. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11237011

2.  Clamp M, Fry B, Kamal M mfl. Distinguishing protein-coding and noncoding genes in the human genome. Proceedings of the National Academy of Sciences 2007; 104: 19428-33. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18040051

3.  Frazer KA. Decoding the human genome. Genome Research 2012; 22: 1599-1601. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22955971

4.  Lederberg J. The transformation of genetics by DNA: an anniversary celebration of Avery, MacLeod and McCarty (1944). Genetics 1994; 136: 423-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8150273

5.  Watson JD, Crick FHC. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature 1953; 171: 737-8. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/13054692

6.  Ho M-W. Genetic engineering - dream or nightmare? Turning the tide on the brave new world of bad science and big business. New York: The Continuum Publishing Group, 2000.

7.  Jakobsen RK. Nå får hver enkelt del i den genetiske revolusjonen. Illustrert Vitenskap 2008; nr. 9:44-53.

8.  Hillier LW, Coulson A, Murray JI mfl. Genomics in C. elegans: so many genes, such a little worm. Genome Research 2005; 15: 1651-60. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16339362

9.  Baltimore D. Our genome unveiled. Nature 2001; 409: 814-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11236992

10.  Lipton BH. The biology of belief. Santa Rosa, CA: Mountain of Love Productions, 2005.

Legg igjen et svar

Bitnami