Gener är ritningarna för att bygga det kemiska maskineri som håller cellerna vid liv. Det gäller för människor och alla andra former av liv. Men visste du att med 20 000 gener har människor nästan 11 000 färre gener än vattenloppor? Om antalet gener inte förutsäger komplexitet, vad gör det då?
Svaret är att vårt genetiska material innehåller mycket mer än de enheter som vi kallar gener. Lika viktiga är de strömbrytare som slår på och av en gen. Och hur cellerna läser och tolkar genetiska instruktioner är mycket mer komplext hos människor än hos dessa vattenloppor.
Gener och de strömbrytare som styr dem är gjorda av DNA. Det är en lång molekyl som liknar en spiralformad stege. Dess form är känd som en dubbelspiral. Totalt tre miljarder steg förbinder de två yttre strängarna – de upprättstående stöden – i denna stege. Vi kallar stegen för baspar för de två kemikalier (par) som de är gjorda av. Forskare hänvisar till varje kemikalie med dess begynnelsebeteckning: A (adenin), C (cytosin), G (guanin) och T (tymin). A bildar alltid par med T; C bildar alltid par med G.
I mänskliga celler existerar det dubbelsträngade DNA:t inte som en gigantisk molekyl. Det är uppdelat i mindre bitar som kallas kromosomer (KROH-moh-soams). Dessa är paketerade i 23 par per cell. Det ger totalt 46 kromosomer. Tillsammans kallas de 20 000 generna på våra 46 kromosomer för det mänskliga genomet.
DNA:s roll liknar alfabetets roll. Det har potential att bära information, men bara om bokstäverna kombineras på ett sätt som ger meningsfulla ord. Genom att rada ihop ord skapas instruktioner, som i ett recept. Generna är alltså instruktioner för cellen. Liksom instruktioner har gener en ”start”. Deras sträng av baspar måste följa i en viss ordning tills de når ett definierat ”slut.”
Om gener är som ett grundrecept är alleler (Ah-LEE-uhls) versioner av det receptet. Till exempel ger allelerna i genen för ”ögonfärg” anvisningar om hur man gör ögonen blå, gröna, bruna och så vidare. Vi ärver en allel, eller genversion, från var och en av våra föräldrar. Det innebär att de flesta av våra celler innehåller två alleler, en per kromosom.
Men vi är inte exakta kopior av våra föräldrar (eller syskon). Anledningen: Innan vi ärver dem blandas allelerna som en kortlek. Detta sker när kroppen tillverkar ägg- och spermieceller. De är de enda cellerna med bara en version av varje gen (i stället för två), förpackade i 23 kromosomer. Ägg- och spermiecellerna smälter samman i en process som kallas befruktning. Detta startar utvecklingen av en ny person.
Då den nya personen kombinerar två uppsättningar av 23 kromosomer – en uppsättning från ägget och en uppsättning från spermiecellen – får den nya personen i slutändan de vanliga två allelerna och 46 kromosomer. Och hennes unika kombination av alleler kommer aldrig att uppstå på exakt samma sätt igen. Det är det som gör var och en av oss unik.Men vi är inte exakta kopior av våra föräldrar (eller syskon). Anledningen: Innan vi ärver dem blandas allelerna som en kortlek. Detta sker när kroppen tillverkar ägg- och spermieceller. De är de enda cellerna med bara en version av varje gen (i stället för två), förpackade i 23 kromosomer. Ägg- och spermiecellerna smälter samman i en process som kallas befruktning. Detta startar utvecklingen av en ny människa.
En befruktad cell måste föröka sig för att bilda barnets alla organ och kroppsdelar. För att föröka sig delar sig en cell i två identiska kopior. Cellen använder instruktionerna på sitt DNA och kemikalierna i cellen för att producera en identisk DNA-kopia för den nya cellen. Sedan upprepar sig processen många gånger när en cell kopieras för att bli två. Och två kopierar för att bli fyra. Och så vidare.
För att skapa organ och vävnader använder cellerna instruktionerna på sitt DNA för att bygga små maskiner. De styr reaktioner mellan kemikalier i cellen som så småningom producerar organ och vävnader. De små maskinerna är proteiner. När en cell läser en genens instruktioner kallar vi det för genuttryck. En befruktad cell måste föröka sig för att skapa ett barns alla organ och kroppsdelar. För att föröka sig delar sig en cell i två identiska kopior. Cellen använder instruktionerna på sitt DNA och kemikalierna i cellen för att producera en identisk DNA-kopia för den nya cellen. Sedan upprepar sig processen många gånger när en cell kopieras för att bli två. Och två kopierar för att bli fyra. Och så vidare.
Hur fungerar genuttryck?
Genuttrycket förlitar sig på hjälpmolekyler. Dessa tolkar genens instruktioner för att göra rätt typer av proteiner. En viktig grupp av dessa hjälpare kallas RNA. Den är kemiskt lik DNA. En typ av RNA är messenger RNA (mRNA). Det är en enkelsträngad kopia av det dubbelsträngade DNA.
Att göra mRNA från DNA är det första steget i genuttrycket. Den processen kallas transkription och sker inne i cellens kärna, eller kärnan. Det andra steget, som kallas översättning, sker utanför kärnan. Det omvandlar mRNA-meddelandet till ett protein genom att sätta ihop lämpliga kemiska byggstenar, så kallade aminosyror (Ah-MEE-no).
Alla mänskliga proteiner är kedjor med olika kombinationer av 20 aminosyror. Vissa proteiner styr kemiska reaktioner. Vissa transporterar meddelanden. Ytterligare andra fungerar som byggmaterial. Alla organismer behöver proteiner för att deras celler ska kunna leva och växa.
För att bygga ett protein ställer sig molekyler av en annan typ av RNA – transfer-RNA (tRNA) – på rad längs mRNA-strängen. Varje tRNA bär en sekvens med tre bokstäver i ena änden och en aminosyra i den andra. Till exempel bär sekvensen GCG alltid aminosyran alanin (AL-uh-neen). TRNA:erna matchar sin sekvens med mRNA-sekvensen, tre bokstäver i taget. Sedan förenar en annan hjälpmolekyl, en så kallad ribosom (RY-boh-soam), aminosyrorna i andra änden för att göra proteinet.
En gen, flera proteiner
Vetenskapsmännen trodde först att varje gen innehöll koden för att göra endast ett protein. De hade fel. Med hjälp av RNA-maskineriet och dess medhjälpare kan våra celler tillverka långt mer än 20 000 proteiner från sina 20 000 gener. Forskarna vet inte exakt hur många fler. Det kan vara några hundratusen – kanske en miljon!
Hur kan en gen göra mer än en typ av protein? Endast vissa delar av en gen, så kallade exoner, kodar för aminosyror. De områden som ligger mellan dem är introner. Innan mRNA lämnar cellkärnan tar hjälpmolekyler bort dess introner och syr ihop dess exoner. Forskare kallar detta för mRNA-splicing.
Samma mRNA kan splicas på olika sätt. Detta sker ofta i olika vävnader (kanske huden, hjärnan eller levern). Det är som om läsarna ”talar” olika språk och tolkar samma DNA-meddelande på flera olika sätt. Det är ett sätt på vilket kroppen kan ha fler proteiner än gener.
Här finns ett annat sätt. De flesta gener har flera växlar. Växlarna bestämmer var ett mRNA börjar läsa en DNA-sekvens och var det slutar. Olika start- eller slutställen skapar olika proteiner, en del längre och en del kortare. Ibland börjar transkriptionen inte förrän flera kemikalier fäster sig vid DNA-sekvensen. Dessa DNA-bindningsställen kan ligga långt ifrån genen, men påverkar ändå när och hur cellen läser sitt meddelande.
Spliceringsvariationer och genomkopplingar resulterar i olika mRNA. Och dessa översätts till olika proteiner. Proteiner kan också förändras efter att deras byggstenar har satts ihop till en kedja. Till exempel kan cellen lägga till kemikalier för att ge ett protein någon ny funktion.
DNA innehåller mer än byggnadsinstruktioner
Att tillverka proteiner är långt ifrån DNA:s enda roll. Faktum är att endast en procent av människans DNA innehåller de exoner som cellen översätter till proteinsekvenser. Uppskattningar av den andel av DNA som styr genuttrycket varierar mellan 25 och 80 procent. Forskarna känner ännu inte till den exakta siffran eftersom det är svårare att hitta dessa reglerande DNA-regioner. Vissa är genomkopplare. Andra tillverkar RNA-molekyler som inte är inblandade i uppbyggnaden av proteiner.
Kontroll av genuttryck är nästan lika komplext som att dirigera en stor symfoniorkester. Tänk bara på vad som krävs för att en enda befruktad äggcell ska utvecklas till ett barn inom nio månader.
Så spelar det någon roll att vattenloppor har fler proteinkodande gener än människor? Egentligen inte. En stor del av vår komplexitet gömmer sig i de reglerande regionerna i vårt DNA. Och avkodningen av den delen av vår arvsmassa kommer att hålla forskarna sysselsatta i många, många år.