Kategoria: genetyka

Jaka jest płeć osób, których występy w zawodach bokserskich na igrzyskach olimpijskich budzą tyle emocji?

Piotr Rieske10 komentarzy

Występy sportowe dwóch osób, walczących w boksie kobiecym na igrzyskach olimpijskich, budzą szczególne emocje.

Spekuluje się, że mają kariotyp męski (46,XY) pomimo, że występują u nich niektóre żeńskie drugorzędowe cechy płciowe. Sytuacji, w których występuje taka rozbieżność między kariotypem i różnymi cechami płciowymi, opisano w medycynie co najmniej kilkanaście. Występują sytuacje kiedy taki kariotyp mają metrykalne kobiety. Nie chcę zanudzać opisami kilkunastu (plus) opcji. Wybrałem więc jedną spekulatywną, ale najczęściej teraz dyskutowaną. To ważny przykład (punkt odniesienia), abstrahując nawet od tego, że nie musi mieć zastosowania. Warto się do niego odnieść, nawet jeśli dokumentacja medyczna czy genotyp i fenotyp tych osób, wskażą (wskazują) na coś innego – klasyczną płciowość w brzegowych cechach fenotypu żeńskiego.

Na zdjęciach Imane Khelif i Lin Yu-ting. Dwie pięściarki, których występy budzą kontrowersje. Lin Yu-ting to rywalka Polki w walce o złoto olimpijskie. Źródło zdjęć Wikipedia.

Eksperyment myślowy numer 1

Wyobraźmy sobie, że osoby, które budzą tyle emocji w boksie na jakichś igrzyskach olimpijskich, mają pochwę, ale mają też jądra, tylko że w jamie brzusznej, bo takie zaburzenie rozwojowe wystąpiło w ich naturze. Nie mają jajników i penisa. Innymi słowy, mają widoczne po urodzeniu drugorzędowe cechy płciowe żeńskie i niewidoczne w czasie zwykłej oceny („ukryte”), ale obecne pierwszorzędowe cechy męskie. Po rutynowym badaniu okołourodzeniowym została im przypisana płeć żeńska – rodzicom powiedziano, że urodziła się dziewczynka. Do metryki wpisano im płeć żeńską i tak je wychowywano. Szło im od dziecka dobrze w sporcie. W czasie pokwitania obniżył im się jednak głos i nabrały nietypowej dla kobiet masy mięśniowej. Zaczęły wygrywać częściej. Zainteresowano się więc dokładniej ich biologią. Lekarze odkryli wtedy w czasie badań przed zawodami, że pomimo żeńskich genitaliów mają kariotyp 46 XY i jądra w jamie brzusznej, które mogą nawet produkować plemniki. Czy wyrzucić je ze sportu, a jeśli tak, to jakim prawem? Jeśli nie wyrzucać, to na jakich zasadach? Co się stanie z nimi poza sportem?

Ktoś powie, że poza sportem mogą nadal być kobietami. Ale ktoś inny może zaproponować tym osobom, pomimo że były wychowane jako dziewczynki: „Jesteście mężczyznami, bo się pomylono przy porodzie i zmienimy Wam płeć w dowodach tożsamości”. Czy ten ktoś uczyni je transseksualnymi? Czy też były transseksualne (transgenderowe)/metrykalne wcześniej i nikt o tym nie wiedział, a ta proponowana zmiana w paszporcie i dokumentach, to nadanie im po latach właściwej płci? Do jakiego jednak miałyby iść chociażby więzienia (nie życzę nikomu) po takiej zmianie płci w dokumentach, gdyby zostały skazane?

Eksperyment myślowy numer 2

Można zaproponować w tej sytuacji wybór całkowicie odmienny – zaradczy (aktualnie nie istnieje i jest nieosiągalny, opisuję tu tylko eksperyment myślowy). Być może nie byłoby tego całego zamieszania, gdyby je dokładniej zbadano przy porodzie. Wiemy, że takie sytuacje jak opisana powyżej, zdarzają się bardzo rzadko (powiedzmy raz na milion). Mimo to po urodzeniu zdecydujemy się badać na koszt podatników skrupulatniej wszystkie dzieci, wykonywać wszystkim badania kariotypu, badać genom, wykonywać odpowiednie badania obrazowe i tym podobne. Odkrylibyśmy wtedy wkrótce po porodzie, że opisane powyżej osoby mają jądra w jamie brzusznej, kariotyp 46,XY i konkretne zmiany genetyczne, ale genitalia żeńskie. Załóżmy, że nazwano by wtedy tych ludzi mężczyznami na podstawie obecności pierwszorzędowych cech płciowych i potencjału do produkcji plemników. Uznano by za decydujące, że te osoby mogą zostać ojcami po dawstwie odpowiednio pozyskanych plemników. Natomiast cechy drugorzędowe potraktowano by jako nieistotne w tej ocenie (brak penisa, obecność pochwy). Pozostałyby jednak pytania o ich płciową przynależność społeczną. Gdzie mają iść w szkole średniej pod prysznic? Czy mają mieszkać w męskim, czy żeńskim internacie i na jaki oddział szpitalny trafić, jeśli w schorzeniu, które zdiagnozowano, jest podział na oddziały żeńskie i męskie? Jakie działania medyczne tu prowadzić? No i znowu: do jakiego miałyby iść więzienia, jeśli zostaną skazane? Opcja ta to tylko eksperyment myślowy; jest niewykonalna w większości krajów na świecie, a tym bardziej w wiosce w Algierii, i prawdopodobnie nieetyczna.

Dwa znane przypadki kontrowersji w sporcie

Fotografia przedstawiająca kariotyp, który zazwyczaj występuje u mężczyzn (46,XY). Kariotyp taki zdarza się jednak w komórkach kobiet. Więcej danych w tekście i literaturze dodatkowej. Źródło zdjęcia Wikipedia.

Molekularnych przyczyn posiadania typowego męskiego kariotypu 46,XY i żeńskich genitaliów jest co najmniej kilkanaście. Wiele osób skupiło się na przykładzie niedoboru 5-α-reduktazy typu 2 lub częściowej niewrażliwości na androgeny. Chociaż nie wiemy, czy nie popełniono podobnego błędu jak u pani Ewy Kłobukowskiej, albo nawet większego. Po donosie radzieckich władz sportowych w 1967 r. przypisano jej płeć męską, pozbawiono ją wyników i medali, a ona wkrótce po tym zaszła w ciążę i urodziła dziecko. Czyżby historia lubiła się powtarzać? Czy teraz w przypadku pięściarek też ujawnił się spór o to, kto może walczyć z Rosjankami – jak wtedy, kto może konkurować z radzieckimi biegaczkami? Ważniejsza jest jednak podstawa biologiczna, a nie polityczna. W przypadku Ewy Kłobukowskiej nie chodziło o niedobór 5-α-reduktazy typu 2. Najpewniej w grę wchodził unikalny mozaicyzm. Teraz w spekulacjach skupiono się na niedobór reduktazy ze względu na niezweryfikowane przecieki jednej z organizacji bokserskich, w której Rosjanie mają wpływy. Wskazywać na to miałyby również pewne cechy pięściarek. Dodatkowo w pierwszej opisanej powyżej sytuacji znalazła się Caster Semenya – metrykalna biegaczka z RPA. To osoba z kariotypem 46,XY i niedoborem wzmiankowanej reduktazy. Odebrano jej prawo do udziału w zawodach sportowych i tytułu, a ona walczy w sądach o ich przywrócenie.

Kiedy przeprowadzono badania nominalnych zawodniczek na igrzyskach olimpijskich w Atlancie 1/423 nie przeszła testu kariotypowego – miała kariotyp 46,XY. W populacji ogólnej około 1/80 000 metrykalnych kobiet ma taki kariotyp (46,XY). Przyczyn genetycznych jest bardzo wiele. Nie zawsze był to niedobór 5-α-reduktazy typu 2. Opisano już mutacje kilkunastu genów. W każdym z nich, jak również przy niedoborze 5-α-reduktazy typu 2 manifestacja cech a czasem objawów jest bardzo różna. Niekiedy przyczyn molekularnych nie udaje się zidentyfikować. W rzeczywistości, w przypadku opisywanych często pięściarek opis ten (niedobór reduktazy) może być w ogóle fałszywy. Natomiast nawet jeśli miałby on zastosowanie, to pokazywałoby to, że ci, którzy piszą, że to po prostu mężczyźni, i do tego damscy bokserzy, mogą zniesławiać takie osoby. Czym innym byłyby wtedy opinie tych, którzy poznali dokumentację medyczną wskazującą, że osoby te nie powinny uprawiać kobiecego boksu, bo to niebezpieczne dla innych zawodniczek, a czym innym takie „metkowanie” ich określeniem „damscy bokserzy”, na podstawie ich wyglądu, sprawności fizycznej, osiąganych wyników i enigmatycznych, póki co, testów.

Kto tu żyje w matriksie złudzeń?

Jako ludzkość generalnie decydujemy się na opisywanie przedstawicieli naszego gatunku jako mężczyzn lub kobiety. Jest ku temu wielu powodów. Przemawia za tym biologia, w tym szczególnie biologia ewolucyjna, ale również szpitalnictwo, więziennictwo i wiele innych instytucji, a także kultura. Wiele osób uznaje, że to zbyt rzadkie sytuacje, by z ich powodu opisywać inaczej świat. Większość ludzi na co dzień jest w tej kwestii jak w matriksie, w którym nie wie o istnieniu takiej rzeczywistości. Walka o medale powoduje jednak, że świat tych osób zarysowuje swoje obrzeża. Nagle z okazji igrzysk olimpijskich dostajemy wybór: możemy próbować poznać ten świat albo zostać w matriksie wygodnych złudzeń i stwierdzić, jak Cypher, że w tym przypadku ignorancja jest błogosławieństwem. Przy tym drugim wyborze nie wypada jednak zajmować stanowiska co do istoty sprawy. Nade wszystko w ludzkości powinno się jednak znaleźć miejsce dla takich osób jak Caster Semenya i wielu innych w podobnym położeniu. Zamiast tego możliwe, że rozpoczęło się nowoczesne polowania na czarownice.

Czy znamy odpowiedź na tytułowe pytanie?

Jak odpowiedzieć na postawione w tytule pytanie? „Jaka jest płeć osób, których występy w zawodach bokserskich na igrzyskach olimpijskich budzą tyle emocji?” Najprostsza odpowiedź brzmi: nie mamy stuprocentowej pewności, bo nie znamy dokumentacji medycznej. Nie ma pewności, czy w przypadku kontrowersyjnych pięściarek, występuje niedobór 5-α-reduktazy typu 2, czy jakieś inne zaburzenie rozwoju płci (DSD ang. disorders of sex development ), mozaikowatość, albo nawet klasyczna płciowość w brzegowych cechach. Opisywano przypadki zaburzeń jeszcze bardziej skomplikowanych niż zakwalifikowane do siedmiu podstawowych DSD. Najpewniejsze i najobiektywniejsze jest teraz, to co ustalili lekarze oceniający płeć tych osób przy porodzie i później. Nic nie wskazuje na to, żeby mieli wtedy wątpliwości. W tekście starałem się odnieść do tego zjawiska szerzej, pomimo że posłużyłem się tylko tym jednym przykładem omawianym w niektórych mediach. Próbowałem po prostu uzmysłowić Czytelnikom, że biologiczne meandry rozwoju cech płciowych są skomplikowane i nawet jeśli u tych osób występuje niedobór 5 alfa reduktazy 2, co jest wątpliwe, to również wtedy nie można nazywać ich ot, tak sobie mężczyznami i odsądzać od czci i wiary.

Literatura dodatkowa

DISORDERS OF SEX DEVELOPMENT – PMC (nih.gov)

Report of Fertility in a Woman with a Predominantly 46,XY Karyotype in a Family with Multiple Disorders of Sexual Development – PMC (nih.gov)

Natural Selection for Genetic Variants in Sport: The Role of Y Chromosome Genes in Elite Female Athletes with 46,XY DSD | Sports Medicine (springer.com)

Zespół całkowitej niewrażliwości na androgeny | Choroby Rzadkie

Co było pierwsze, jajko kurze czy kura? Czy to pytanie ma coś wspólnego z Adamem i Ewą?

Piotr RieskeLeave a comment

Co było pierwsze jajko kurze czy kura? Czy ewolucjonista może odpowiedzieć, że pierwsze było jajko kurze, argumentując, że w trakcie ewolucji jakiś ptak innego gatunku (ewolucyjnego przodka kury – „przedkury”) najpierw zniósł jajka, z których wykluły się i kura, i kogut? Czy podobna sytuacja mogła mieć miejsce wśród naczelnych (w tym przodków ludzi) w takim sensie, że nastąpiło gwałtowne przejście z gatunku X do gatunku Y i w ten sposób raptownie powstali „Adam i Ewa”?

Co z badaniami tej problematyki mieli ostatnio wspólnego Polacy?

Arystoteles wykorzystywał pytanie o jajko i kurę, aby zilustrować swoją teorii o potencjalności i aktualności. Tu jednak nie o takie rozważania chodzi.

Czym jest gatunek?

Kiedy uczymy się na biologii teorii ewolucji, bardzo często dowiadujemy się, że pojawienie się nowego gatunku wymaga bardzo wiele czasu. Zaproponowany tu więc scenariusz – według którego jakiś inny ptak (przedkura) zniósł (zniosła) jajka, z których wykluły się kury i koguty (kurczęta żeńskie i męskie) czyli miały tak bardzo zmieniony genom (genotyp), że pojawił się nowy gatunek – wydaje się niezbyt sensowne. Oczywiście to pytanie jest trochę żartobliwe, niemniej jednak w trakcie ewolucji dochodziło do dość dużych kroków, również w przypadku naczelnych, o czym więcej za chwilę.

Czym jest gatunek, wyjaśnił bardzo ciekawie Piotr Gąsiorowski w tekstach na stronie Eksperyment myślowy.

Wg definicji Ernsta Mayra, osobnik jakiegoś gatunku nie może krzyżować się z osobnikami innego gatunku. Gatunki to grupy faktycznie lub potencjalnie krzyżujących się naturalnych populacji, które są reprodukcyjnie odizolowane od innych takich grup. Oznaczałoby to, że potomstwo konkretnego ptaka (kury) byłoby tak odmienne, że mogłoby się krzyżować tylko ze sobą (wsobnie), a nie z osobnikami tego gatunku, którego przedstawiciel zniósł jajka. W obrębie zwierząt, które określamy jako należące do różnych gatunków, występuje od tej zasady wiele wyjątków, które zresztą dobrze znamy. Przykładowo muł powstaje w wyniku krzyżowania się osła z koniem.

Ilja Iwanow i hybrydowi żołnierze Stalina?

W przypadku ludzi taka sytuacja nie może mieć obecnie miejsca. Przeważa natomiast pogląd, że ludzie (Homo sapiens) krzyżowali się z neandertalczykami. W pewnym okresie w ZSRR pojawił się natomiast naukowiec, który próbował sprawdzić, czy obecnie można skrzyżować człowieka z jakimś naczelnym. Ilja Iwanow prawdopodobnie w takim właśnie celu mógł nawet bez wiedzy mężczyzn wykorzystać ich nasienie. Podejrzewa się, że próbował tworzyć super żołnierzy dla Stalina, krzyżując ludzi z gorylami. Nie tylko mu się to nie udało, ale nawet władza radziecka doszła do wniosku, że coś z nim jest nie w porządku.

Źródło zdjęcia wikipedia.

Bariery międzygatunkowe

Pomijając więc kulturowe tabu zadajmy sobie pytanie, dlaczego tak jest, że ludzie są jednak dość wyjątkowi w zakresie definicji gatunku? To znaczy, dlaczego definicja Mayra jest w ich przypadku tak dobrze spełniona? Mechanizmów biologicznych jest bardzo wiele. Jednak na poziomie kariotypu od innych naczelnych różni nas bardzo wyraźnie to, że mają one 48 chromosomów, a my mamy ich 46. To jedna z bardzo wyraźnych zmiennych, prowadzących do sytuacji, w której występuje brak dopasowania genomów nawet wtedy, gdyby doszło do zapłodnienia in vitro plemnikiem mężczyzny np. komórki jajowej szympansicy. Brak dopasowania może dotyczyć nie tylko budowy chromosomów, ale również epigenetyki.

Do zakłóceń rozwojowych dochodziłoby nawet w czasie mejozy, a dokładniej w czasie crossing over.

Warto zaznaczyć, że analogicznie „wyjątkowe” są choćby szympansy. Odnotowano pojedyncze przypadki hybrydyzacji szympansa zwyczajnego i bonobo w niewoli, jednak w naturze spełniają definicję Mayra w 100%. Nie da się skrzyżować szympansa z gorylem, pomimo że mają 48 chromosomów. Nie jest więc konieczne do spełnienia definicji Mayra posiadanie różnej liczby chromosomów.

Jak to się stało, że ludzie mają 46 chromosomów, chociaż szympansy czy goryle mają ich 48?

Okazuje się, że wydarzenie, które do tego doprowadziło było z ewolucyjnego punktu widzenia bardzo dramatyczne. Nie było w nim nic z powolności procesów ewolucyjnych, o których generalnie się uczymy. Najpewniej pojawienie się ludzkiego chromosomu drugiego było konsekwencją fuzji chromosomów 12 i 13, występujących u szympansów, goryli, jak i wspólnego przodka ludzi i tych naczelnych.

Źródło ryciny Wikipedia.

Polka Barbara Poszewiecka uważa, że zdarzenie to miało miejsce jakieś 400 tysięcy do 1,5 miliona lat temu. Chociaż inni szacują, że zdarzenie to miało miejsce około 4,5 miliona lat temu. Z innych danych badawczych wynika, że nawet 400 tys. to za mało. Skoro u neandertalczyków i denisowian występowała fuzja chromosomu 2, to zaszła ona nie później niż u naszego ostatniego wspólnego przodka (Homo heidelbergensis). Bliższe prawdy jest więc 1,5 miliona lat od kiedy doszło do tej fuzji.

https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-022-08828-7

W konsekwencji fuzji obecne są też różne zmiany w genomie. Znika jeden z genów FOXT4L. Spekuluje się, że jego zniknięcie mogło spowodować zmianę fenotypową, dotyczącą poruszania się na dwóch kończynach. Nie znaczy to jednak, że było to całkowite przejście do dwunożności, ale znowu zamknięcie pewnego etapu zmian zmierzających w tym kierunku.

Czy byli to Adam i Ewa?

Podkreślmy więc – był to wspólny przodek ludzi, neandertalczyków i denisowian. Nazywanie tych organizmów Adamem i Ewą jest więc pewną prowokacją intelektualną. Warto też dodać, że w tej chwili nawet wśród biblistów zdecydowanie przeważa opinia, że Adam i Ewa to alegoria.

Takie prowokacyjne analogie można jednak znaleźć w tytułach literatury popularnonaukowej, a nawet naukowej. Posłużył się nim inny Polak, Paweł Stankiewicz. Kiedy czytamy tekst jego pracy, widać założenie następującego scenariusza: najpierw pojawiły się osobniki posiadające 47 chromosomów i to ich krzyżowanie dało osobniki z 46 chromosomami. Na tym schemacie (rodowodzie) wszystkie czarne trójkąty oznaczają osobniki, w przypadku których szybko doszło do śmierci. Natomiast osobniki z 46 chromosomami były już prawdopodobnie dobrze przystosowane do posiadania płodnego potomstwa. Kółka symbolizują samice, a kwadraty –samce. Widać też kto miał 48, kto 47, a kto 46 chromosomów.

Rycina z artykułu w poniższym linku. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27708712/

Czy może z człowieka wyewoluować nowy gatunek?

Czy analogiczne sytuacje występują współcześnie? Opisano rodziny np. w Chinach i Finlandii, w których zaobserwowano zdarzenia genetyczne o pewnym podobieństwie. Nie mógłby to być jednak zalążek nowego gatunku, w takim sensie jak w przypadku fuzji prowadzącej do powstania chromosomu drugiego. Dla ścisłości trzeba bowiem dodać, że wystąpiła w tych rodzinach trochę inna zmiana cytogenetyczna. Nie była to jednak taka fuzja jak opisana w ewolucji naczelnych (wspólnego przodka Homo sapiens, neandertalczyków i denisowian), ale translokacja robertsonowska. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4912789/

Problemowi temu będzie na stronie „Eksperyment myślowy” poświęcona seria tekstów. Odcinek wprowadzający już się pojawił.

Czy ewolucja nadal nas dotyczy? Część 1: Prolog

Podsumowanie

Jak widać, analogia z początku tego tekstu o jajku i kurze jest trochę naciągana, jeśli chodzi o fuzję w wyniku, której powstał chromosom drugi. Po fuzji chromosomów 12 i 13, nadal obecnych u szympansów i goryli, nie doszło do natychmiastowego wyodrębnienia się nowego gatunku. Jednak był to olbrzymi krok w tym kierunku.

Nie da się też ukryć, że to dynamiczne wydarzenie w ewolucji jest wykorzystywane przez niektórych kreacjonistów jako argument na rzecz inteligentnego projektu, przez innych natomiast jest wręcz negowane. Nie jest zamiarem autora tego tekstu polemizować z pseudonaukowymi tekstami. Chodzi tylko o zainteresowanie biologią ewolucyjną.

W ewolucyjnych dziejach naszych przodków nie brak zdarzeń, które są bardzo mało prawdopodobne. W 2023 chińscy naukowcy opisali, że gatunek, z którego wyewoluowali nasi przodkowie przez 100 tysięcy lat składał się z około tysiąca osobników. Czyli przez tysiąclecia znajdował się na granicy wyginięcia.

Nadal nie rozumiemy wszystkich szczegółów procesów ewolucyjnych, jednakże stopniowo je odkrywamy. Z ewolucyjnego punktu widzenia odpowiedź na pytanie: „Co było pierwsze, jajko czy kura?” – wydaje się taka, że raczej jajko. Jest to niemniej jednak duże uproszczenie, które ma tylko skłonić do pewnej refleksji nad tym, jak szybko może wyewoluować nowy gatunek.

Literatura dodatkowa

  1. J. Tjio and A. Levan. 1956. The chromosome number of Man. Hereditas, 42( 1-2): 1-6.
  2. W. Ijdo et al.1991. Origin of human chromosome 2: an ancestral telomere-telomere fusión. PNAS, 88: 9051-9056.
  3. Meyer et al. 2012 A high-coverage genome sequence from an archaic Denisovan individual. Science, 338:222-226.; K. H. Miga. 2016. Chromosome-specific Centromere sequences provide an estímate of the Ancestral Chromosome 2 Fusion event in Hominin Genome.Journ. of Heredity. 1-8. Doi:10.1093/jhered/esw039.

Czy biotechnolodzy tworzą coś nowego, czy kradną naturze?

Piotr RieskeLeave a comment

Jak powiedział Picasso: „Dobrzy artyści kopiują, wielcy kradną.” Podobnie wyrażali się między innymi: Igor Stravinsky, T.S. Eliot czy Steve Jobs.

Te słowa nie są jednak pochwałą kradzieży, ale zachętą do pokory i szacunku wobec tych, którzy tworzyli coś wcześniej. Zachętą do przyznania, że coś stworzone wcześniej było co najmniej inspiracją dla kolejnych pokoleń artystów. Przykładem jest las Birnam z Makbeta Szekspira, który inspirował Tolkiena przy opisie ataku Entów (pasterzy drzew) na Isengard.

Czy biotechnolodzy kradną (plagiatują) w takim sensie? Podobnie, jak artyści obserwują efekty pracy innych artystów, również biotechnolodzy obserwują pracę innych biotechnologów. Pojęcie „patentów” w sztuce (poza muzyką) bywa trudne do zdefiniowania – nie patentuje się obrazów. W biotechnologii jest o patenty trochę łatwiej. Mimo to urzędy patentowe ze zmienną konsekwencją przyznają lub nie prawa patentowe (własności intelektualnej) kolejnym projektantom. Jednak biotechnolodzy i artyści „plagiatują” jeszcze inaczej. „Plagiatują” naturę, a ta nie pójdzie oczywiście do sądu. Okazuje się jednak, że ma ona swoich rzeczników w urzędach patentowych w kwestiach biotechnologicznych. Przez wiele lat w urzędach patentowych trwał wielki spór o to, na ile rozwiązania podpatrzone w naturze mogą być patentowane. Rzecznicy patentowi wyznaczyli pewne kryteria, po spełnieniu których patent zostanie przyznany. Natomiast, biorąc pod uwagę cytat z Picassa, wobec kogo czy czego taki „złodziej biotechnolog” powinien taki rodzaj szacunku okazać?

Przeciwciała, enzymy do testów PCR, plazmidy, wektory wirusowe, nagrodzony Noblem CRISPR, promotory, sekwencje nukleotydowe czy aminokwasowe i wiele innych „rzeczy”, „ukradli” wirusom i bakteriom (na końcu tekstu znajduje się glosariusz wyjaśniający używane terminy biotechnologiczne). Po co…? Wcześniej chociażby po to, by produkować białka terapeutyczne i diagnostyczne. Ostatnio wszystko to, czego trochę nakradli, składają jak klocki lego w zupełnie nowe twory terapeutyczne, nazywając to już nie biotechnologią, a biologią syntetyczną.

Plazmidy służą bakteriom do tworzenia np. białek antybiotykooporności. Biotechnolodzy zamienili te fragmenty DNA w plazmidach w transgeny do produkcji białek potrzebnych ludziom – chociażby do produkcji insuliny dla chorych na cukrzycę. Nie dość, że ukradli bakteriom pomysł, to jeszcze go wykorzystują do produkcji np. leków.

Polimerazowa reakcja łańcuchowa (PCR), która stała się powszechnie znana w czasie pandemii COVID-19, to również w pewnym sensie zasługa bakterii. Jedne z nich, aby żyć w gorących źródłach Yellowstone „wymyśliły” białka, w tym polimerazę, które są w stanie przetrwać w wysokich temperaturach, a to dzięki niej możliwe jest szybkie prowadzenie PCR. W czasie tej reakcji temperatura wielokrotnie osiąga ponad 90 stopni Celsjusza, a większość molekuł polimerazy nie może ulec denaturacji. Oczywiście biotechnolodzy – za pomocą plazmidów z transgenem – zmuszają zwykłe bakterie (głównie E.coli) do produkcji tej polimerazy. Kradną polimerazę z jednych bakterii, a inne zmuszają do niewolniczej produkcji.

Skąd się wzięła odwrotna transkryptaza potrzebna, aby przepisać RNA (wirusa takiego jak SARS-CoV-2) na DNA przed reakcją PCR? Również ona została „skradziona”, tym razem wirusom.

Technologia CRISPR, nagrodzona nagrodą Nobla w 2020 roku, służąca obecnie np. do naprawy uszkodzonych genów, wywodzi się z systemu bakteryjnego, którym bakterie zwalczają swoich wrogów, wirusy bakteryjne – bakteriofagi. Pierwsza terapia oparta o CRISPR do leczenia osób z chorobą genetyczną – chorobą sierpowatokrwinkową – została zarejestrowana przez FDA w 2023 roku. System, z którego wywodzi się CRISPR/Cas chroni bakterie przed ich wirusami – to „element układu odpornościowego bakterii”. Bakterie tworzą „biblioteki” fragmentów genomów fagowych, aby wtedy, kiedy któryś znowu zaatakuje, zniszczyć go. Tworzenie bibliotek fragmentów genomów fagowych w genomie bakteryjnym jest więc przez niektórych autorów określane mianem budowania pamięci immunologicznej. Natomiast biotechnolodzy wykorzystują CRISPR/Cas do naprawy genomu np. w ludzkich komórkach. Widać więc, że podpatrywanie natury miało miejsce, ale zastosowanie rozwiązania Cas9 z zaprojektowanym fragmentem RNA jest już zupełnie inne. Powstają kolejne metody edycji genomu, takie jak prime editing, w których podkrada się naturze coraz więcej. Nie wolno robić edycji genomu na poziomie komórek linii germinalnych czy komórek zarodkowych człowieka, ale wolno na poziomie komórek somatycznych (dojrzałych i multipotentnych macierzystych).

Rycina 1 Schemat odwzorowuje działanie systemu edycji genomu PE. Chimeryczne białko składa się ze zmutowanego Cas9 i odwrotnej transkryptazy. Mutacja Cas9 powoduje, że enzym rozcina tylko jedną nić dwuniciowego DNA. Odwrotna transkryptaza przepisuje sgRNA na DNA, które jest wykorzystywane przez system naprawy uszkodzeń DNA. Genom jest zmieniany zgodnie z instrukcją dostarczaną przez pegRNA (odmiana gRNA stosowana do edycji prime). Na podstawie ryciny z artykułu „Techniki edycji genomu jako narzędzie modyfikacji komórek układu odpornościowego” Alergologia Polska 2021 (za zgodą autorów Ewelina Stoczyńska-Fidelus, Piotr Rieske)

Biotechnolodzy równocześnie próbują wykorzystać również naturalnego wroga bakterii, jakim są bakteriofagi, po to, żeby bakterie zwalczać. Jest to szczególnie ważne wobec pojawiającej się antybiotykoodporności. Rozwiązanie takie zaczyna być stosowane w produkcji żywności, ponieważ stosowanie antybiotyków chociażby w uprawach roślin czy hodowli drobiu to jedna z głównych przyczyn pojawiania się antybiotykoodporności.

Jak widać, bardzo wiele systemów wykorzystywanych przez biotechnologów powstało w trakcie walki organizmów z ich patogenami. Co nie powinno dziwić, bo taka walka jest akceleratorem ewolucji, a zatem tworzenia coraz doskonalszych rozwiązań.

Nie jest to jednak jedyne źródło, z którego pozyskuje się narzędzia czy technologie.

Biotechnolodzy wykorzystują bakterie (np. Agrobacterium tumefaciens), aby tworzyć rośliny GMO. Normalnie bakterie te infekują rośliny i wprowadzają swoje geny, żeby pozyskiwać od roślin opiny.

Wektory wirusowe stosowane np. w terapii genowej to wykorzystanie ułomnych czynników infekcyjnych, które w formie kompletnej infekują np. komórki ludzi, a u biotechnologów infekują komórki, aby wprowadzić do nich to, co chcą w nich umieścić. Jeśli chcemy zastosować wspomniany wcześniej CRISPR/Cas, to także najczęściej wykorzystujemy wirusy jako wektory tego systemu. Jeśli chce się wprowadzić „transgen leczniczy”, to również tak to się odbywa.

Bakterie, aby walczyć z bakteriofagami, „wymyśliły” – podobnie (jak CRISPR/Cas) – enzymy restrykcyjne. Biotechnolodzy korzystają z nich notorycznie, aby tworzyć wektory do produkcji np. białek leczniczych. Paradoksalnie system, który miał chronić bakterie przed ingerencją w ich DNA, służy do zmieniania ich DNA plazmidowego.

Bakteriofagi posiadają natomiast specjalne rekombinazy, umożliwiające wprowadzanie ich genów do genomu bakterii. Biotechnolodzy zastąpili tym systemem fagowym enzymy restrykcyjne, aby skonstruować/wygenerować system gate way – bramkowania − i szybciej przenosić między plazmidami np. transgeny lecznicze.

Biotechnolodzy w ogóle bardzo często korzystają z rozwiązań powstających w trakcie ewolucji wirusów. Genomy wirusów są bardzo małe, gdyż od upakowania na małej przestrzeni wielu informacji zależy ich przetrwanie. Biotechnolodzy również muszą upakowywać dużo informacji na małej przestrzeni, co wynika z niuansów technicznych ich pracy.

Wirusy „wymyśliły” więc np. sekwencję IRES, która pozwala otrzymywać z jednego fragmentu mRNA coś, co u eukariotów jest kodowane przez kilka genów. Wirusy geny zastąpiły czymś, co nazywa się otwartymi ramkami odczytu. Nie ma potrzeby, żeby kontrolować pojawianie się białek wirusowych w tak skomplikowany sposób, jak np. w komórkach człowieka. Zazwyczaj wszystkie białka wirusowe mogą, a nawet powinny pojawiać się równocześnie, aby doszło do samoskładania wirionów. W przypadku komórek człowieka tak nie jest. Istnieje wąska specjalizacja. To między innymi dzięki temu, pomimo że w każdej komórce jednego człowieka jest w zasadzie ten sam genom, mamy ponad 200 rodzajów komórek.

Podobnie jak IRES, peptydy (sekwencje) F2A czy P2A pozwalają wirusom na tworzenie wielu białek z jednej cząsteczki mRNA. Biotechnolodzy „plagiatują” te rozwiązania, aby również otrzymywać kilka białek z jednego fragmentu RNA. W tym przypadku rybosom po zakończeniu translacji jednego białka przeskakuje niejako do translacji następnego. IRES pozwala przyłączać się rybosomom w kilku miejscach mRNA i inicjować translację.

Wirusy regulują transkrypcję (przepisywanie DNA na RNA) za pomocą bardzo małych fragmentów regulacyjnych i w ten sposób wymuszają produkcję swojego RNA w komórkach ssaków. Te małe elementy regulacyjne z wirusów SV-40 czy CMV również zostały wykorzystane przez biotechnologów.

Oczywiście nie wyczerpuje to wszystkich elementów, które są plagiatowane z organizmów żywych przez biotechnologów.

Ponadto nie wszystkie rozwiązania pochodzą ze świata patogenów.

Przeciwciała wykorzystywane np. w diagnostyce normalnie służą do zwalczania patogenów. Biotechnolodzy wytwarzają je do: testów onkologicznych, wirusowych (kupujemy je w aptece), a nawet do testów ciążowych. To rozwiązanie układu odpornościowego różnych zwierząt. Ostatnio plagiatują je np. od alpak, ale również od rekinów, gdyż te mają dość sprytne (bardzo małe) przeciwciała.

Szczepionki to również zaprzęgnięcie do działań człowieka naturalnego systemu odpornościowego. Do ich tworzenia wykorzystywane są plazmidy, wektory wirusowe itp., opisane wcześniej. W naturze cena nabywania odporności jest bardzo wysoka. Często jest to kalectwo, niekiedy śmierć członków społeczności.

Przeciwnowotworowa terapia CAR-T jest wspólnym dziełem natury, biotechnologów i immunologów. Polega na połączeniu odpowiedzi limfocytów T i limfocytów B. Skradziono więc układowi odpornościowemu dwa rozwiązania i stworzono ich funkcyjną chimerę przy okazji tworzenia chimerowego białka. Powstała komórka, która nie wymaga prezentowania antygenu na cząsteczkach HLA (MHC), ale rozpoznająca go bezpośrednio. Pozwala to uniknąć niektórych działań, komórek nowotworowych, których one dokonują, aby „zmylić” układ odpornościowy. Litera C w nazwie CAR-T pochodzi właśnie od chimerowy (ang. chimeric).

CAR-T to przykład nowego świata biotechnologii, czyli biologii syntetycznej. W tym świecie biotechnolodzy tworzą nowe byty np. komórkowe, ale również kradną istniejące w przyrodzie elementy regulatorowe, białka itp. Również białka używane do edycji (naprawiania) genów w ramach metod nowocześniejszych niż CRISPR, takich jak prime editing, to białka chimerowe. Podbieranie elementów ze świata przyrody to pierwszy etap. Kolejny − to tworzenie z nich nowych, nieistniejących w przyrodzie bytów, takich jak komórki. Układy te są na tyle skomplikowane, że zaczyna się je porównywać do układów scalonych. Jest to dość luźna analogia, ponieważ komórka ma inną organizację przestrzenną niż układ scalony, ale obrazuje złożoność zmian, które biologia syntetyczna oferuje.

Na czym więc bardzo często polega biotechnologia czy biologia syntetyczna? Polega na podpatrywaniu natury i wykorzystywaniu jej wynalazków w innych celach niż te, dla których natura je wytworzyła. Sposoby korzystania z tych wytworów stają się coraz bardziej wyrafinowane. Najczęściej korzysta się z tego, co powstało w ramach ewolucyjnego wyścigu zbrojeń między bakteriofagami, a bakteriami, czy między naszym układem odpornościowym, a patogenami.

Rycina 2 Opis CAR-T w glosariuszu. W skrócie: komórki CAR-T atakują komórki nowotworowe i prowadzą do ich śmierci. CAR-T otrzymuje się dzięki metodom inżynierii genetycznej. W tym celu wykorzystuje się rozwiązania opisane w tekście: wektory wirusowe, transgen, którego transkrypcja regulowana jest np. promotorem CMV itp. Zmodyfikowane na podstawie materiału z BPS Bioscience CAR-T Cell Therapy (bpsbioscience.com).

Glosariusz z wyjaśnieniami ( w celach popularyzacji)

PCR − łańcuchowa reakcja polimerazy, PCR (od ang. polymerase chain reaction)

Metoda powielania dwuniciowych fragmentów DNA. W trakcie reakcji odbywa się od 25 do 40 cykli, w czasie których dochodzi do kopiowania wybranego fragmentu DNA temperatura zmienia się od 45 do 95 stopni Celsjusza.

Odwrotna transkryptaza

Polimeraza DNA zależna od RNA, umożliwia syntezę nici DNA, wykorzystując jako matrycę RNA. Enzym ten w naturze kodowany jest w otwartych ramkach odczytu retrowirusów. Proces, w którym bierze udział ten enzym, nosi nazwę odwrotnej transkrypcji.

Metoda CRISPR/Cas (ang. Clustered Regularly−Interspaced Short Palindromic Repeats, pol. zgrupowane, regularnie rozproszone, krótkie, powtarzające się sekwencje palindromiczne)

Metoda ta pozwala na edycję genomu organizmu, który posiada odpowiedni system naprawy uszkodzeń DNA (Eukaryota). Mechanizm immunologiczny, z którego wywodzi się ta metoda: u bakterii odpowiedni RNA umożliwia niszczenie genomu fagów dzięki enzymom Cas. Enzymy Cas rozcinają DNA bakteriofagów rozpoznany przez to RNA. Biotechnolodzy wprowadzają transgen kodujący sgRNA, przypominający funkcyjnie RNA z bakteryjnego CRISRP razem z transgenem kodującym Cas (najczęściej Cas9), do komórek eukariotycznych. W tych komórkach, w przeciwieństwie do komórek prokariotycznych, może dochodzić do naprawy uszkodzeń DNA, powodowanych przez Cas9 naprowadzony przez sgRNA na odpowiednie miejsce DNA. sgRNA jest kodowany oddzielnym transgenem regulowanym przez promotor taki jak np. U6 (przyłącza on odpowiednią polimerazę). Sekwencja CRISPR w naturze zawiera fragmenty genomów bakteriofagów, które bakteria wcześniej zwalczyła. Dlatego CRISPR to część systemu ochrony przed bakteriofagami. Na tym przykładzie widać, jak bardzo biotechnolodzy zmieniają pierwotne zastosowanie jakiegoś rozwiązania działającego w naturze.

PE prime editing − zastosowanie edycji prime

Metoda wywodzi się z CRISPR/Cas. Wykorzystuje się w niej jednak białko chimerowe mutanta Cas9 (H840A) połączone z domeną odwrotnej transkryptazy. Powstało pięć (a nawet siedem, uwzględniając NPE i TPE) kolejnych odmian tej metody. Metoda pozwala na uniknięcie niektórych błędów pojawiających się w czasie edycji genomu metodą CRIPSR/Cas tzw. INDELS niechciane insercje, delecje.

Sekwencje 2A (F2A, P2A)

Sekwencje kodujące peptydy 2A pochodzą z genomów wirusowych. Umieszczenie ich pomiędzy sekwencjami DNA (potem RNA) kodującymi dwa różne białka powoduje, że rybosom w czasie translacji po ukończeniu syntezy pierwszego białka niejako przeskakuje do syntezy następnego białka. W ten sposób biotechnolodzy mogą umieścić w wektorach sekwencje kodujące więcej niż jedno białko − transgen(y)/otwarte ramki odczytu, których ekspresja jest regulowana przez jeden promotor.

IRES

Skrót pochodzi od ang. internal ribosome entry site. To element RNA pozwalający inicjować translację w sposób niezależny od czapeczki mRNA 5’. IRES pozwala rybosomom zacząć syntezę w kilku miejscach jednego fragmentu (jednej molekuły) mRNA. W przeciwieństwie do P2A, IRES umożliwia startowe przyłączenie rybosomu w miejscu, gdzie występuje sekwencja charakteryzująca ten fragment RNA. Peptyd 2A ujawnia swój efekt, kiedy dojdzie do translacji białka zakończonego tą sekwencją peptydową. Wtedy ten rybosom, który ten fragment zsyntetyzował, podejmie syntezę kolejnego białka dzięki temu, że molekuła RNA, na której się znajduje, zawiera sekwencję kodującą kolejny peptyd.

Promotor SV-40, promotor CMV

Rozpoczęcie transkrypcji (proces syntezy RNA na matrycy DNA) u ssaków jest precyzyjnie regulowane. Wirusy DNA wykorzystują krótkie sekwencje, aby ten proces uruchomić. Do tych fragmentów DNA przyłączają się czynniki transkrypcyjne, do których przyłącza się polimeraza RNA. Popularne wśród biotechnologów ze względu na niewielki rozmiar są fragmenty (sekwencje) pochodzące z wirusów SV-40 i CMV.

CAR-T

Skrót określający limfocyty T, do których metodami inżynierii genetycznej wprowadzono transgen kodujący białka CAR, ang. chimeric antigen receptor). Białko to składa się z kilku domen, które bez ingerencji człowieka należą do kilku białek. W typowym CAR jest to domena scFv (ang. single-chain variable fragment) i domeny należącej do białek, które w limfocytach T transdukują (przekazują) sygnał umożliwiający zabijanie np. komórek zainfekowanych przez wirusa (CD28, 4-1 BB, CD3z itp). Typowy scFv to fragment zmienny łańcucha lekkiego i ciężkiego konkretnego przeciwciała połączony odpowiednim peptydem/linkerem. Takie działanie pozwala komórkom CAR-T eliminować komórki nowotworowe, które wykazują ekspresję genu kodującego białko rozpoznawane przez domenę scFv. Same przeciwciała nie wykazują takiej skuteczności jak CAR-T. Analogicznie skrót CAR-M będzie oznaczał makrofagi, do których wprowadzono transgen kodujący białko CAR.

Transgen, gen, otwarta ramka odczytu (ORF)

Określenie transgen zostało zarezerwowane w tym tekście dla sekwencji kodujących umieszczanych w odpowiednich wektorach przez człowieka. Natomiast gen tutaj to fragment genomu kodujący białko czy RNA, który powstał w naturze. Autor zdaje sobie sprawę że gen bakteryjny w plazmidzie (nie chromosomie bakteryjnym) nie różni się zasadniczo od transgenu bakteryjnego. Zdecydowano się jednak na rozróżnienie gen vs. transgen, ponieważ większość fragmentów kodujących umieszczanych w wektorach np. wirusowych, a opisanych w tym tekście, odnosi się do genomu człowieka. W przypadku Eukaryota ekspresja genu jest regulowana za pomocą promotora, wzmacniaczy, wyciszaczy, a pierwotny transkrypt ulega splicingowi. Transgen takiego genu ma natomiast sztuczny względem oryginalnego promotor (patrz promotor CMV/SV40), co zmienia sposób regulacji jego ekspresji. Gen u eukariotów położony jest w konkretnym miejscu genomu, transgen tego genu wprowadzony do genomu ludzkiego za pomocą np. wektorów wirusowych zazwyczaj ma położenie przypadkowe. Te różnice powodują np., że edycja genomu (konkretnego genu) w celach terapeutycznych jest rozwiązaniem bardziej pożądanym niż tradycyjna terapia genowa oparta o transgen. Różnic między genem a transgenem jest więcej. Termin otwarta ramka odczytu (ang. open reading frame ORF), został tu użyty w odniesieniu do genomów wirusowych i transgenów. W przypadku genomu wirusa jedna molekuła mRNA dostarcza kilku otwartych ramek odczytu − fragment kwasu nukleinowego wirusa, na bazie którego powstaje jedna cząsteczka mRNA koduje kilka białek. W tekście użyto tych trzech określeń dla fragmentów kwasów nukleinowych kodujących głównie białka. Gen czy transgen nie musi jednak kodować białka. Jak wskazano, sgRNA używane w metodzie CRISPR, czy PE (pegRNA), jest również kodowane przez transgen. W wektorach przygotowywanych przez biologów również pojawiają się odcinki DNA kodujące mRNA dla kilku białek właśnie dzięki wykorzystaniu rozwiązań pochodzących z genomów wirusowych.