Skaczące geny

Niemal połowa ludzkiego genomu składa się z sekwencji związanych z ruchomymi elementami DNA. Większość utraciła zdolność przemieszczania się, ale niektóre nadal pozostają aktywne. Najnowsze badania pokazują, że mogą przyczyniać się do przebudowy chromosomów, wpływać na aktywność genów nowotworowych, a nawet przenosić materiał genetyczny do genomów wirusów.

AdobeStock

Żeby zrozumieć znaczenie skaczących genów, trzeba najpierw porzucić wyobrażenie, że cały DNA człowieka stanowi precyzyjnie uporządkowaną instrukcję budowy organizmu. Znaczną część genomu zajmują sekwencje powtarzalne, w tym pozostałości po ruchomych elementach genetycznych.

Szacuje się, że elementy transpozycyjne i sekwencje pochodzące z ich aktywności stanowią około 45–50 proc. ludzkiego genomu. Większość tych fragmentów nie jest obecnie zdolna do samodzielnego przemieszczania się. Nie oznacza to jednak, że stały się biologicznie obojętne. Niektóre wpływają na aktywność sąsiadujących genów, inne dostarczają komórkom sekwencji regulatorowych, a jeszcze inne mogą zostać ponownie uruchomione w określonych warunkach.

Zjawisko to od dawna fascynuje genetyków. W latach 40. XX wieku amerykańska badaczka Barbara McClintock odkryła u kukurydzy elementy genetyczne zdolne do przemieszczania się w genomie. Zauważyła, że ich aktywność może zmieniać sposób działania genów odpowiedzialnych za ubarwienie ziaren. Początkowo jej odkrycie spotkało się ze sceptycyzmem. Dopiero kolejne dekady badań przyniosły szerokie uznanie dla jego znaczenia. W 1983 roku McClintock otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny.

Wyjątkowo ruchliwy gen

BC200 to gen niekodujący RNA występujący przede wszystkim w neuronach. Nie służy bezpośrednio do produkcji białka, ale uczestniczy w regulacji procesów komórkowych, w tym syntezy białek na podstawie innych cząsteczek RNA. Jego historia ewolucyjna jest jednak związana właśnie z ruchomymi elementami genetycznymi.

W pracy opublikowanej we wrześniu 2026 r. w „Science” autorzy opisali dwie kopie ludzkiego genu BC200 w genomie wirusa mięczaka zakaźnego (molluscum contagiosum virus, MCV). Wirus ten wywołuje zakaźną chorobę skóry, objawiającą się niewielkimi grudkami.

Analiza wskazuje, że sekwencje BC200 trafiły do genomu wirusa prawdopodobnie za pośrednictwem mechanizmu zależnego od elementu LINE-1. W tym procesie RNA zostaje przepisane na DNA, które może następnie zostać włączone w nowym miejscu materiału genetycznego.

Badacze ustalili, że BC200 wywodzi się z ruchomego elementu DNA, który około 40 mln lat temu został zaadaptowany do pełnienia funkcji związanych z regulacją procesów zachodzących w neuronach. Mimo tej zmiany sekwencja nie utraciła zdolności przemieszczania się. W toku ewolucji naczelnych przyczyniła się do powstania setek nowych wstawek genetycznych. Naukowcy znaleźli także warianty takich wstawek występujące u poszczególnych ludzi, co wskazuje, że aktywność tego mechanizmu nie należy wyłącznie do odległej przeszłości.

Nie wiadomo jeszcze, czy obecność BC200 daje wirusowi jakąś korzyść ani czy wpływa na przebieg zakażenia. Odkrycie pokazuje jednak, że sekwencja pełniąca określoną funkcję w komórkach człowieka może jednocześnie zachować zdolność przemieszczania się i trafić do innego genomu.

LINE-1 może przebudowywać chromosomy

BC200 jest przykładem wyjątkowej mobilności materiału genetycznego. W innych przypadkach aktywność ruchomych elementów może prowadzić "tylko" do zmian w strukturze chromosomów, co ma znaczenie np. dla rozwoju nowotworów.

W badaniu opublikowanym ostatnio w „Nature Communications” naukowcy wykazali, że pośrednie produkty przemieszczania się LINE-1 mogą uczestniczyć w rekombinacji z innymi fragmentami DNA. W rezultacie mogą powstawać przegrupowania chromosomowe.

Badacze wykorzystali testy rekombinacji i sekwencjonowanie długich fragmentów DNA. Wykazali, że powstawanie przegrupowań zależy od aktywności białka ORF2p, kodowanego przez LINE-1, które ma właściwości odwrotnej transkryptazy i endonukleazy. Istotną rolę odgrywało również białko BRCA1, uczestniczące w rekombinacji homologicznej. Z kolei MSH2, związane z naprawą niedopasowanych zasad DNA, ograniczało powstawanie przegrupowań w określonych warunkach.

Niestabilność genomu jest jednym z czynników sprzyjających rozwojowi nowotworów. Zmiany strukturalne mogą zaburzać funkcjonowanie genów, zwiększać liczbę kopii onkogenów i wpływać na mechanizmy kontroli podziałów komórkowych. Wyniki badania pomagają wyjaśnić, w jaki sposób aktywność LINE-1 może przyczyniać się do takich zaburzeń, choć nie oznaczają, że odpowiada za wszystkie przegrupowania obserwowane w nowotworach.

Skaczące geny mogą wspierać rozwój nowotworów

Ruchome elementy DNA mogą wpływać na rozwój nowotworów nie tylko przez destabilizację genomu, ale również przez regulację ekspresji genów.

W pracy opublikowanej w „Nature Cell Biology” opisano pozachromosomowe DNA, czyli materiał genetyczny występujący poza chromosomami. Takie cząsteczki mogą zawierać dodatkowe kopie onkogenów i sprzyjać rozwojowi niektórych nowotworów.

W komórkach raka jelita grubego badacze zidentyfikowali fragment pochodzący z rodziny LINE, który znalazł się w pozachchromosomowym DNA wraz z onkogenem MYC. Sekwencja działała jak wzmacniacz ekspresji genów, czyli enhancer. Eksperymenty wskazały, że jej aktywność miała znaczenie dla utrzymania zdolności komórek nowotworowych do wzrostu i przeżycia.

Odkrycie pokazuje, że fragmenty pochodzące z ruchomych elementów DNA mogą zyskać nowe funkcje i uczestniczyć w mechanizmach podtrzymujących rozwój guza. Nie są więc wyłącznie źródłem mutacji. Mogą również dostarczać komórkom nowotworowym dodatkowych elementów regulujących aktywność genów.

Czy mRNA ze szczepionki może zmienić ludzki genom?

Wraz z wykorzystaniem w szczepionkach przeciw COVID-19 technologii opartej o informację genetyczną wirusa SARS-CoV-2 pojawiły się także obawy, że szczepiąc się nimi, narażamy się na modyfikację własnego genomu. Na szczęście nic bardziej mylnego. Sprawdź, ile pamiętasz z lekcji biologii i co trzeba wiedzieć o nowej technologii szczepionek.

Aktywność elementów transpozycyjnych może wpływać także na układ odpornościowy. RNA pochodzące z tych sekwencji może w określonych warunkach przypominać cząsteczki powstające podczas infekcji wirusowej. Komórka może wówczas uruchomić mechanizmy odporności wrodzonej, reagując na własny materiał genetyczny tak, jakby rozpoznawała sygnał zakażenia.

Zjawisko to, określane jako mimikra wirusowa, jest przedmiotem badań nad nowymi strategiami leczenia nowotworów. Produkty ruchomych elementów mogą pobudzać odpowiedź przeciwwirusową, a niektóre białka powstałe na ich podstawie mogą dostarczać antygenów rozpoznawanych przez limfocyty T.

Kierunek ten wymaga dalszych badań. Aktywacja ruchomych elementów może pobudzać mechanizmy przeciwnowotworowe, ale w innych warunkach sprzyjać przewlekłemu stanowi zapalnemu. Nie jest to obecnie samodzielna, potwierdzona klinicznie metoda leczenia.

Reaktywacja LINE-1 a starzenie

Naukowcy badają również związek aktywności ruchomych elementów DNA ze starzeniem się organizmu. W prawidłowo funkcjonujących komórkach ich ekspresję ograniczają mechanizmy epigenetyczne, między innymi metylacja DNA. Z wiekiem kontrola ta może słabnąć, co sprzyja reaktywacji niektórych retrotranspozonów.

Ich produkty RNA mogą zaburzać homeostazę komórkową i aktywować szlaki zapalne. W określonych warunkach możliwe jest również przemieszczanie się elementów i powstawanie nowych zmian w genomie.

W przeglądzie opublikowanym w 2025 r. w „Nature Reviews Genetics” Francesco autorzy opisali powiązania między reaktywacją retrotranspozonów, stresem środowiskowym i starzeniem. Autorzy wskazali, że utrata kontroli nad tymi sekwencjami może uczestniczyć w zaburzeniach funkcjonowania komórek i rozwoju chorób związanych z wiekiem.

Nie oznacza to jednak, że ruchome elementy DNA są jedyną lub główną przyczyną starzenia. Proces ten obejmuje wiele współzależnych mechanizmów, a reaktywacja retrotranspozonów może być zarówno czynnikiem nasilającym niektóre zaburzenia, jak i następstwem zmian zachodzących w starzejących się komórkach.

Odnaleźć "skaczące geny"

Jednym z wyzwań pozostaje ustalenie, które spośród licznych kopii ruchomych elementów zachowały zdolność przemieszczania się. W ludzkim genomie występuje około 1,1 mln elementów Alu, z których większość jest nieaktywna.

W badaniu opublikowanym w 2025 r. w „Nature Communications” opisano metodę pozwalającą równolegle analizować aktywność dużej liczby wariantów Alu. W eksperymencie wykorzystano bibliotekę 165 087 wariantów, a aktywność wykazano dla 66 821 z nich. Analiza pozwoliła określić, które cechy sekwencji i jej struktury przestrzennej mają znaczenie dla retrotranspozycji.

Wyniki dostarczają narzędzia do lepszego poznania mechanizmów przemieszczania się elementów Alu. Nie oznaczają jednak, że wszystkie aktywne w eksperymencie warianty występują naturalnie u ludzi albo przemieszczają się w organizmie.

Najnowsze odkrycia pokazują, że skaczące geny mogą wpływać na stabilność genomu, regulację ekspresji genów, odpowiedź immunologiczną i procesy związane ze starzeniem. Szczególnie interesujące są obserwacje wskazujące, że fragmenty pochodzące z ruchomych elementów DNA mogą uczestniczyć w mechanizmach podtrzymujących rozwój nowotworów.