Generne er de blå tegninger til opbygning af det kemiske maskineri, der holder cellerne i live. Det gælder for mennesker og alle andre former for liv. Men vidste du, at med 20.000 gener har mennesker næsten 11.000 færre gener end vandlopper? Hvis antallet af gener ikke forudsiger kompleksitet, hvad gør så?
Svaret er, at vores genetiske materiale indeholder meget mere end de enheder, vi kalder gener. Lige så vigtige er de afbrydere, der tænder og slukker et gen. Og den måde, hvorpå cellerne læser og fortolker genetiske instruktioner, er langt mere kompleks hos mennesker end hos disse vandlopper.
Generne og de kontakter, der styrer dem, er lavet af DNA. Det er et langt molekyle, der ligner en spiralformet stige. Dets form er kendt som en dobbeltspiral. I alt tre milliarder trin forbinder de to yderste strenge – de oprejste støtter – på denne stige. Vi kalder trinene for basepar efter de to kemikalier (par), som de er lavet af. Forskere henviser til hvert kemikalie ved dets bogstav: A (adenin), C (cytosin), G (guanin) og T (thymin). A danner altid par med T; C danner altid par med G.
I menneskelige celler eksisterer det dobbeltstrengede DNA ikke som ét gigantisk molekyle. Det er opdelt i mindre klumper kaldet kromosomer (KROH-moh-soams). Disse er pakket ind i 23 par pr. celle. Det giver 46 kromosomer i alt. Tilsammen kaldes de 20.000 gener på vores 46 kromosomer for det menneskelige genom.
DNA’s rolle svarer til alfabetets rolle. Det har potentiale til at bære information, men kun hvis bogstaverne kombineres på måder, der danner meningsfulde ord. Ved at sætte ord sammen kan man få instruktioner, som i en opskrift. Generne er således instruktioner til cellen. Ligesom instruktioner har generne en “start”. Deres streng af basepar skal følge i en bestemt rækkefølge, indtil de når en bestemt “ende.”
Hvis gener er som en grundopskrift, er alleler (Ah-LEE-uhls) versioner af denne opskrift. F.eks. giver allelerne i “øjenfarve”-genet anvisninger på, hvordan man gør øjnene blå, grønne, brune og så videre. Vi arver en allel, eller genversion, fra hver af vores forældre. Det betyder, at de fleste af vores celler indeholder to alleler, én pr. kromosom.
Men vi er ikke nøjagtige kopier af vores forældre (eller søskende). Årsagen: Før vi arver dem, blandes allelerne som et sæt kort. Det sker, når kroppen laver æg- og sædceller. De er de eneste celler med kun én version af hvert gen (i stedet for to), pakket ind i 23 kromosomer. Æg- og sædceller vil smelte sammen i en proces, der kaldes befrugtning. Derved starter udviklingen af et nyt menneske.
Gennem kombinationen af to sæt af 23 kromosomer – et sæt fra ægget og et sæt fra sædcellen – ender det nye menneske med de sædvanlige to alleler og 46 kromosomer. Og hendes unikke kombination af alleler vil aldrig opstå på nøjagtig samme måde igen. Det er det, der gør hver enkelt af os unik.Men vi er ikke nøjagtige kopier af vores forældre (eller søskende). Årsagen: Før vi arver dem, blandes allelerne som et sæt kort. Det sker, når kroppen laver æg- og sædceller. De er de eneste celler, der kun har én version af hvert gen (i stedet for to), pakket ind i 23 kromosomer. Æg- og sædceller vil smelte sammen i en proces, der kaldes befrugtning. Dette starter udviklingen af et nyt menneske.
En befrugtet celle skal formere sig for at lave alle et barns organer og kropsdele. For at formere sig deler en celle sig i to identiske kopier. Cellen bruger instruktionerne på sit DNA og kemikalierne i cellen til at producere en identisk DNA-kopi til den nye celle. Derefter gentager processen sig selv mange gange, mens én celle kopieres for at blive til to. Og to kopieres for at blive til fire. Og så videre.
For at lave organer og væv bruger cellerne instruktionerne på deres DNA til at bygge små maskiner. De styrer reaktioner mellem kemikalier i cellen, som i sidste ende producerer organer og væv. De små maskiner er proteiner. Når en celle aflæser et gens instruktioner, kalder vi det genekspression. En befrugtet celle skal formere sig for at lave alle et barns organer og kropsdele. For at formere sig deler en celle sig i to identiske kopier. Cellen bruger instruktionerne på sit DNA og kemikalierne i cellen til at producere en identisk DNA-kopi til den nye celle. Derefter gentager processen sig selv mange gange, mens én celle kopieres og bliver til to. Og to kopieres for at blive til fire. Og så videre.
Hvordan fungerer genekspression?
Genekspression er afhængig af hjælpe-molekyler. Disse fortolker et gens instruktioner til at lave de rigtige typer proteiner. En vigtig gruppe af disse hjælpemolekyler er kendt som RNA. Det ligner kemisk set DNA. En type RNA er messenger RNA (mRNA). Det er en enkeltstrenget kopi af det dobbeltstrengede DNA.
At lave mRNA fra DNA er det første skridt i genekspressionen. Denne proces er kendt som transkription og sker inde i cellens kerne, eller kerne. Det andet trin, kaldet translation, finder sted uden for kernen. Det forvandler mRNA-meddelelsen til et protein ved at samle de relevante kemiske byggesten, kendt som aminosyrer (Ah-MEE-no).
Alle menneskelige proteiner er kæder med forskellige kombinationer af 20 aminosyrer. Nogle proteiner styrer kemiske reaktioner. Nogle bærer budskaber. Atter andre fungerer som byggematerialer. Alle organismer har brug for proteiner, så deres celler kan leve og vokse.
For at opbygge et protein stiller molekyler af en anden type RNA – transfer-RNA (tRNA) – sig på række langs mRNA-strengen. Hvert tRNA bærer en sekvens på tre bogstaver i den ene ende og en aminosyre i den anden ende. For eksempel bærer sekvensen GCG altid aminosyren alanin (AL-uh-neen). tRNA’erne tilpasser deres sekvens til mRNA-sekvensen, tre bogstaver ad gangen. Derefter føjer et andet hjælpemolekyle, et såkaldt ribosom (RY-boh-soam), aminosyrerne sammen i den anden ende for at fremstille proteinet.
Et gen, flere proteiner
Videnskabsfolk troede først, at hvert gen indeholdt koden til kun at fremstille ét protein. De tog fejl. Ved hjælp af RNA-maskineriet og dets hjælpere kan vores celler lave langt mere end 20.000 proteiner ud fra deres 20.000 gener. Forskerne ved ikke præcis, hvor mange flere. Det kan være et par hundrede tusinde – måske en million!
Hvordan kan et gen lave mere end én type protein? Kun nogle strækninger af et gen, kendt som exoner, koder for aminosyrer. De områder, der ligger imellem dem, er introner. Inden mRNA’et forlader cellens kerne, fjerner hjælpemolekyler intronerne og syr sammen exonerne. Forskere kalder dette for mRNA-splejsning.
Det samme mRNA kan splejses på forskellige måder. Dette sker ofte i forskellige væv (måske i huden, hjernen eller leveren). Det er som om, at læserne “taler” forskellige sprog og fortolker den samme DNA-meddelelse på flere måder. Det er en måde, hvorpå kroppen kan have flere proteiner end gener.
Her er en anden måde. De fleste gener har flere afbrydere. Kontakterne bestemmer, hvor et mRNA begynder at læse en DNA-sekvens, og hvor det stopper. Forskellige start- eller slutsteder skaber forskellige proteiner, nogle længere og andre kortere. Nogle gange starter transkriptionen ikke, før flere kemikalier sætter sig fast på DNA-sekvensen. Disse DNA-bindingssteder kan ligge langt væk fra genet, men har stadig indflydelse på, hvornår og hvordan cellen læser sit budskab.
Spliceringsvariationer og genskifter resulterer i forskellige mRNA’er. Og disse oversættes til forskellige proteiner. Proteiner kan også ændre sig, efter at deres byggesten er blevet samlet til en kæde. For eksempel kan cellen tilføje kemikalier for at give et protein en ny funktion.
DNA rummer mere end byggeinstruktioner
At fremstille proteiner er langt fra DNA’s eneste rolle. Faktisk indeholder kun én procent af menneskets DNA de exons, som cellen oversætter til proteinsekvenser. Skøn over den andel af DNA’et, der styrer genudtryk, varierer fra 25 til 80 procent. Forskerne kender endnu ikke det nøjagtige antal, fordi det er sværere at finde disse regulerende DNA-regioner. Nogle er genafbrydere. Andre laver RNA-molekyler, der ikke er involveret i opbygningen af proteiner.
Kontrollen af genekspression er næsten lige så kompleks som at dirigere et stort symfoniorkester. Tænk blot på, hvad der skal til for, at en enkelt befrugtet ægcelle kan udvikle sig til et barn i løbet af ni måneder.
Så gør det noget, at vandlopper har flere proteinkoderende gener end mennesker? Egentlig ikke. En stor del af vores kompleksitet gemmer sig i de regulatoriske regioner af vores DNA. Og afkodningen af denne del af vores genom vil holde forskerne beskæftiget i mange, mange år.