Badanie dziedziczenia cech kwestionuje proste działanie samych genów
Naturalne populacje – np. grupy zwierząt, roślin, a nawet ludzi – wykazują zadziwiającą różnorodność cech. Cechy te obejmują cechy fizyczne, sposób funkcjonowania organizmu, zachowanie, a nawet podatność na choroby. Jednym z ważnych celów w biologii jest ustalenie, jakie konkretne geny powodują te różnice. To jednak bardziej skomplikowane, niż się wydaje. Na cechy wpływają nie tylko geny, ale także czynniki pozagenetyczne, w tym środowiskowe i epigenetyczne (zmiany chemiczne, które wpływają na sposób działania genów bez zmiany samego DNA). Nawet skupiając się wyłącznie na aspekcie genetycznym, naukowcy wciąż mają trudności z określeniem wszystkich czynników genetycznych stojących za złożonymi cechami.
Dlaczego tak trudno jest przewidzieć cechy
Jest to tak zwany problem „brakującej odziedziczalności”. Badając rodziny, naukowcy mogą oszacować, w jakim stopniu dana cecha jest dziedziczona. Ale gdy szukają konkretnych odpowiedzialnych wariantów genetycznych – nawet przy użyciu narzędzi takich jak wielkoskalowe badania asocjacyjne całego genomu – są w stanie wyjaśnić tylko niewielką część tej odziedziczalności. Powodem tego jest złożoność mechanizmów genetycznych. Zdaniem Josepha Schacherera, koordynatora finansowanego przez UE projektu PhenomeNal, pomijanych jest wiele czynników. Chodzi tu o rzadkie warianty genetyczne, które mogą wywierać istotny wpływ, oraz interakcje między genami (epistaza), w ramach których wpływ jednego genu zależy od aktywności innych. Inny czynnik wiąże się z różnicami w sposobie ekspresji genów, co oznacza, że ten sam gen może zachowywać się inaczej w zależności od osoby. „Wykazaliśmy, że na cechy wpływają nie tylko pojedyncze geny, ale są one kształtowane przez złożone interakcje, rzadkie warianty i szersze tło genetyczne”, zauważa Schacherer. „Nawet pozornie proste cechy mogą się znacznie różnić u poszczególnych osobników ze względu na ukryte czynniki, takie jak epistaza i ekspresja genu”. Ustalenia te podważają tradycyjny pogląd, zgodnie z którym cechy są zgodne z przewidywalnymi regułami genetycznymi, i pomagają wyjaśnić, dlaczego wiele cech u ludzi i innych organizmów jest trudnych do zmapowania lub przewidzenia.
Drożdże piekarskie w badaniu złożoności genetycznej
W swoich badaniach naukowcy skupili się na Saccharomyces cerevisiae, czyli drożdżach piekarskich. Mają prosty genom, szybko rosną i można łatwo nimi manipulować, przez co idealnie nadają się do badań naukowych. W odróżnieniu od ludzi i innych złożonych organizmów drożdże piekarskie rozwijają się w ściśle kontrolowanych środowiskach, a ich bogata różnorodność genetyczna została uchwycona w tysiącach naturalnych izolatów. Co więcej, dzielą one podobne procesy biologiczne z ludźmi, co czyni je cennym systemem do odkrywania uniwersalnych zasad genetycznych. „Krzyżując różne izolaty drożdży i analizując sposób przekazywania ich cech, odkryliśmy, w jaki sposób różnice genetyczne, rzadkie mutacje i złożone interakcje genów wpływają na wzrost, odporność na stres i przetrwanie”, mówi Schacherer. Dzięki zaawansowanym narzędziom, takim jak sekwencjonowanie genomu, szybkie roboty i edycja genów, możliwe było uzyskanie pełnego obrazu tego, w jaki sposób cechy wyłaniają się ze zmienności genetycznej. „Testy funkcjonalne wykorzystujące biblioteki alleli i edycję CRISPR(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wykazały, w jaki sposób skład genetyczny szczepu wpływa na wpływ określonych genów. Ponadto, mutageneza transpozonowa(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pozwoliła zidentyfikować geny istotne w określonych kontekstach, oferując ogólnogenomowe spojrzenie na ekspresję genów i stabilność szlaków biologicznych”, dodaje Schacherer. Realizowane przy wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych prace okazują się kluczowe dla rozwoju genetyki, poprawy przewidywania cech i informowania o dziedzinach takich jak medycyna spersonalizowana i biologia ewolucyjna.
