B CELLEN, DNA OCH GENTEKNIK B1 Vad är liv? B2 Cellen B3 DNA – livets molekyl B4 Mutationer B5 Växtförädling och husdjursavel B6 Genetiska analyser B7 Genmodifiering B8 Genterapi på människor
B1 Vad är liv? Diskutera Att en katt som springer över en väg är något som är levande kan tyckas vara en självklarhet. Men vad mer precist kännetecknar en levande organism?
Ett björndjur (Tardigrada) är ett av de många djur som bara kan ses i mikroskop. De lever i huvudsak i vatten eller i mossa och tillhör de tåligaste organismerna på jorden. De överlever stark strålning, vakuum och nedkylning till endast en grad över den absoluta nollpunkten.
Cellen, DNA och genteknik
35
Jorden myllrar av liv Var du än vänder dig på jorden kommer du hitta spår av liv. Livet verkar ha en otrolig förmåga att anpassa sig till en rad olika miljöer. Det ser inte ut att spela någon roll om det är höga bergstoppar eller i sprickor djupt ner i berggrunden, inte heller om det är extremt varma öknar eller ständigt frusna områden. Vi kommer normalt bara i kontakt med ett litet antal av alla de livsformer som finns, de vi delar livsmiljö med och som är stora nog för att ses med blotta ögat. Andra lever mer undanskymt i miljöer där människor sällan vistas eller är så små att de endast kan ses i mikroskop. För att få en uppfattning av hur mycket liv det finns på jorden har forskare uppskattat att den sammanlagda biomassan, massan hos allt liv, uppgår till 550 000 miljarder kg C (enheten anger massan av alla kolatomer i de levande organismerna). Sett till biomassan domineras livet på jorden av växter (82 %) följt av bakterier (13 %) och svampar (2 %). Djurens, inklusive människans biomassa utgör inte mer än 0,4 % av den totala massan.
Trots de bistra förhållandena har havet runt Antarktis ett rikt djurliv. Den höga produktionen av plankton och fisk i det näringsrika vattnet är något Hakremspingvinererna kan dra nytta av.
36
Vad kännetecknar livet på jorden? Mycket talar för att alla livsformer på jorden har ett och samma ursprung och den allmänna uppfattningen inom naturvetenskapen idag är att allt liv härstammar från någon form av urcell som levde för mer än 3,5 miljarder år sedan. Med tanke på att jordens ålder uppskattas vara omkring 4,5 miljarder år innebär detta att det funnits liv under större delen av jordens historia. Teorin om att allt liv har ett och samma ursprung grundas i att allt liv vi känner till idag tycks dela vissa gemensamma drag. För att något ska räknas som levande ska egenskaperna enligt figuren nedan vara uppfyllda.
Förökning/fortplantning sexuellt eller asexuellt
Tillväxt blir större under sin livstid och utvecklas
Anpassning till miljön
Uppbyggnad består av en eller flera celler
Respons/reaktion kan reagera på sin omgivning
Ämnesomsättning får energi från kemiska reaktioner
Reglering av den inre miljön i cellerna
Ovanstående egenskaper karakteriserar allt liv på jorden. Ibland kan något räknas som levande trots att inte alla kriterier uppfylls, men det hör till undantagen.
Cellen, DNA och genteknik
37
Sedan virus upptäcktes i början på 1900-talet har frågan om de ska räknas som liv diskuterats. Den rådande uppfattningen idag är att virus inte ska räknas som liv, detta trots att de har egna arvsanlag. Detta grundar sig i att virus både saknar celler och ämnesomsättning. För att sprida sina arvsanlag vidare är de istället beroende av andra livsformer. Arvsanlag
Proteinhölje
SARS-CoV-2
Coronaviruset kan inte överleva på egen hand eftersom det saknar ämnesomsättning. Som fallet är med alla virus måste coronaviruset istället utnyttja cellerna hos en värdorganism för att kunna tillverka kopior av sina arvsanlag.
Virus som orsakar COVID-19 hos människor
TESTA DIG SJÄLV 1. Varför anses björndjuret vara en av de tåligaste organismerna på jorden? 2. Vilken livsform står för den största biomassan på jorden? 3. Ge några exempel på egenskaper som kännetecknar liv? 4. Av vilka anledningar räknas inte virus som liv?
38
Cellen, DNA och genteknik
B2 Cellen Diskutera Vilka fördelar kan det finnas för en organism att vara flercellig jämfört med encellig?
En bild tagen i ett elektronmikroskop med hög förstoring visar bakterier (färgade i blått) som sitter på några kindceller i slemhinnan i vår mun. Notera storleksskillnaden mellan de jämförelsevis små bakterierna jämfört med de betydligt större eukaryota cellerna. Cellen, DNA och genteknik
39
Livets minsta enhet Encelliga organismer skiljer sig från flercelliga genom att de består av en enda cell som ensam sköter alla nödvändiga uppgifter för att organismen ska kunna överleva och föröka sig. Fler celliga organismer består, precis som namnet antyder, av mer än en cell. Hos de allra enklast uppbyggda flercelliga organismerna kan alla celler vara av samma sort medan de hos mer komplext uppbyggda organismer specialiserats och fått olika uppgifter. Enligt en nyligen gjord uppskattning består en människa av så många som 37 000 miljarder celler.
Spermie
Befruktad äggcell Obefruktad äggcell
Första celldelningen
Efter 5 celldelningar har embryot 32 celler
Ett två år gammalt barn består av tusentals miljarder celler
Efter det att äggcellen blivit befruktad kommer det ta något dygn innan den första celldelningen kommer igång. Vi har därför alla en gång varit encelliga, åtminstone under en kort tidsperiod.
Även om alla kroppens celler har sitt ursprung från en enda cell, den befruktade äggcellen, har dessa till följd av embryots utveckling, specialiserat sig på att utföra olika uppgifter. Män niskokroppen byggs upp av mer än 200 olika celltyper. Muskel celler ansvarar för rörelser, nervceller för att skicka signaler och könsceller för att föra arvsanlagen vidare vid fortplantning. Celler av samma typ bygger tillsammans upp vävnader och olika sorters vävnader bygger i sin tur upp kroppens organ.
40
Cellen, DNA och genteknik
Hudcell
Nervcell
Ljuskänslig cell från ögats näthinna
Vit blodkropp
Skelettmuskelcell
Fettcell
Bencell
Könsceller (äggcell + spermie)
Röd blodkropp
I människokroppen finns över 200 olika celltyper som specialiserat sig på olika funktioner. Trots att de ser olika ut har de samma grundkonstruktion.
Olika grundkonstruktioner av celler Baserat på hur cellerna hos en organism är konstruerade delas de in i någon av följande kategorier, kallade domäner, i den moderna systematiken:
• bakterier • arkéer (tidigare kallade arkebakterier) • eukaryoter
Cellen, DNA och genteknik
41
Bakterier och arkéer påminner om varandra eftersom de är en celliga och saknar cellkärna. De kallas därför ibland gemensamt för prokaryoter (pro = före, karyon = kärna) trots att de inte utgör en enhetlig grupp. Eukaryoter (eu = äkta, karyon = kärna) har istället celler med cellkärnor samt membranomslutna celldelar som kallas organeller. Till eukaryoterna hör både encelliga och flercelliga organismer. Alla växter och djur är eukaryoter. DNA ligger ”fritt” i cellen
Cellkärna med DNA
Bakterie
Arké 2 μm x10
Här visas en storleksjämförelse mellan en bakterie, en arké (lilla rutan) och en eukaryot cell. Bakterier och arkkéer är ungefär 0,5–5 µm jämfört med eukaryota celler som är 10–100 µm.
42
Cellen, DNA och genteknik
Eukaryot cell (djurcell)
20 μm
Bakterier Bakterier är små, i genomsnitt bara en tiondel så stora som våra egna celler i kroppen. Trots att vi är i ständig kontakt med bakterier är det bara när vi observerar dem i mikroskop som vi kan se dem. Bakterier har överlag en enklare uppbyggnad än eukaryota celler. Till skillnad från dessa saknar bakterier flera celldelar som exempelvis cellkärna och membranomslutna organeller. Den största delen av arvsanlagen ligger istället fritt i cellplasman i form av en ringformad DNA-molekyl, bakteriekromosomen. I tillägg till denna finns ofta också små ringar av DNA kallade plasmider. Plasmiderna spelar en viktig roll när vi genmodifierar bakterier. I bakterien finns även ribosomer på vilka aminosyror byggs ihop till proteiner utifrån genernas anvisningar.
Utanför cellmembranet finns hos de flesta bakterier en skyddande cellvägg. En del bakterier har en flagell med vilken de kan förflytta sig med och små utskott kallade pili som används för att kunna fästa sig till olika underlag eller andra bakterier. Bakterier är encelliga och fortplantar sig asexuellt (könlöst) genom celldelning. Bakteriekromosom Pili
Cellmembran omgivet av en cellvägg
Plasmid
Flagell
Ribosomer
Cellplasma
Djur- och växtceller
En bakteries uppbyggnad. Lägg märke till att DNA dels ligger fritt i cellen som en ringformad kromosom och ofta också som små ringformade plasmider. De senare har en viktig funktion när vi genmodifierar bakterier. Alla delar som visar i figuren kan inte ses i ett vanligt ljusmikroskop.
Både djur- och växter har eukaryota celler. Deras uppbyggnad är mer komplex än bakterierna och kännetecknas av att ha flera celldelar som dessa saknar. Till dessa hör membranomslutna organeller såsom; cellkärnan, mitokondrierna, de endoplasmatiska nätverken, golgiapparaten, vakuolen och kloroplasterna. Eukaryota organismer kan vara både en- och flercelliga och fortplantningen vara antingen asexuell (könlös) eller sexuell (könlig). Alla eukaryota celler har huvuddelen av sitt DNA inuti en cellkärna. Till skillnad från bakterierna har eukaryota organismer sitt DNA uppdelat i flera mindre delar som är öppna i båda ändar och kallas kromosomer. Även om djur- och växtceller har mycket gemensamt finns några tydliga skillnader. Utanför det tunna cellmembran som omger cellerna finns hos en växtcell också en skyddande cellvägg. Växtceller har dessutom en stor vätskefylld blåsa kallad vakuolen som tar upp en stor del av utrymmet inne i cellen. I cellplasman finns även kloroplaster som innehåller det gröna färgämnet klorofyll. Det är med hjälp av klorofyllet växtceller ”fångar in” solljus i fotosyntesen.
Cellen, DNA och genteknik
43
Celldelar hos både växt- och djurceller
En djurcell (observera att alla delar i figuren inte kan ses i ett vanligt ljusmikroskop).
Mitokondrie – Cellens kraftverk. Här sker huvuddelen av cellandningen där socker och syre omvandlas till koldioxid, vatten och energi i form av ATP (den energiform som driver de flesta kemiska processer i cellen).
Cellkärna – Innehåller huvuddelen av cellens DNA (arvsanlag).
Cellplasma (cytoplasma) – Den trögflytande vätska som finns innanför cellmembranet. Vätskan består av vatten med lösta ämnen som är viktiga för cellen.
Endoplasmatiskt nätverk – Består av membransystem som sköter transporten av kemiska föreningar inom cellen. På ytan kan sitta ribosomer.
Ribosomer – På dessa monteras amino syror ihop till proteiner utifrån genernas anvisningar. De förekommer antingen fritt i cellplasman eller sitter fästa till ytan av det endoplasmatiska nätverket.
Golgiapparat – Här bearbetas, sorteras och paketeras en del av de proteiner som tillverkas i cellen.
Cellmembran – Ett tunt membran som omger cellen. Genom att membranet påverkar vilka ämnen som släpps in och ut kan den inre miljön regleras.
Celldelar som bara finns hos växtceller Kloroplaster – Finns hos både växter och alger och innehåller det gröna färgämnet klorofyll. Deras viktigaste uppgift är att utföra fotosyntes i vilken ljusenergi fångas in för att koldioxid och vatten ska kunna omvandlas till socker och syre.
Vakuol – En stor vätskefylld blåsa som fyller ut mycket av växtcellen. Ett högt vätsketryck i vakuolen spänner ut cellen mot cellväggen och gör den hård. Detta gör att växter inte behöver ett stabiliserande skelett. I vakuolen kan också vatten och näring lagras.
En växtcell (observera att alla delar i figuren inte kan ses i ett vanligt ljusmikroskop).
Cellkärna med DNA
Endoplasmatiska nätverk
Golgiapparat
Ribosomer
44
Cellen, DNA och genteknik
Cellplasma
Mitokondrie
Cellvägg – En stödjande vägg som ger växtceller dess bestämda form. Innehåller cellulosa.
TESTA DIG SJÄLV 1. Livet delas in i tre domäner, vilka är dessa? 2. Ge exempel på några av de olika celltyper du har i din egen kropp. 3. Vad skiljer en bakterie från en eukaryot cell? 4. Hur förökar sig en bakterie? 5. Vilken funktion har cellmembranet i en cell? 6. Varför kallas mitokondrierna ibland för ”cellens kraftverk”? 7. Vad skiljer en växtcell från en djurcell?
Växtceller från vattenväxten Hydrilla verticillata sedda genom ett mikroskop. I cellerna syns kloroplasterna som små gröna ”korn”.
Cellen, DNA och genteknik
45
B3 DNA - livets molekyl Diskutera Vilken betydelse har upptäckten av DNA-molekylen fått för vårt samhälle?
DNA eller deoxiribonukleinsyra är den molekyl som bär den genetiska informationen.
46
Cellen, DNA och genteknik
DNA-molekylen En DNA-molekyl består två strängar som sitter ihop med var andra i en dubbelspiral. Den kan på så vis liknas vid en vriden repstege. Varje sträng är uppbyggd av en kedja av ”DNA-bygg stenar”, nukleotider. Varje nukleotid har en ”ryggrad” av socker och fosfat samt någon av de fyra kvävebaserna: A, T, C och G. De två strängarna hålls ihop genom att kvävebaser kan bilda par med varandra genom svaga kemiska bindningar. Unikt för DNA-molekylen är att kvävebaserna inte kan fästa till varandra hur som helst utan kvävebasen A bildar par med T och C bildar par med G.
Varje sträng i DNA-molekylen består av en kedja av nukleotider. Strängarna hålls ihop genom att kvävebaserna i de båda strängarna bildar par med varandra.
DNA-molekyl i form av en dubbelspiral
Nukleotider med kvävebaser Adenin
Guanin
Tymin
Cytosin
Hos alla levande organismer på jorden utgörs arvsanlagen av ordningsföljden av kvävebaserna i DNA. Denna ordningsföljd är i regel unik för varje individ sånär som hos enäggstvillingar och genetiska kloner. Ju närmare släkt två organismer är desto större är i regel likheten mellan arvsanlagen och därmed ordningen hos kvävebaserna. Hos människan och schimpansen skiljer sig i genomsnitt 1 av 50 kvävebaser åt medan det mellan olika människor snarare handlar om 1 på 200.
Cellen, DNA och genteknik
47
Genetisk likhet 99,5 %
Den genetiska likheten mellan olika människor är i genomsnitt 99,5 %. Det innebär att en kvävebas på 200 skiljer sig åt. Den unika ordningen på kvävebaser i vårt DNA fungerar som ett molekylärt fingeravtryck och kan användas för att fastställa släktskap eller knyta någon till en brottsplats.
Ibland kan vi stöta på uppgifter om att det finns omkring två meter DNA i var och en av människans celler. Då är det viktigt att förtydliga att detta DNA inte ligger som en ”lös tråd” inuti cellkärnan. Hos eukaryoter är istället DNA:t uppdelat i ett antal mindre delar som var för sig är lindade kring speciella proteiner som kallas histoner. Hur hårt packad DNA-tråden är beror på i vilket stadie cellen befinner sig. När DNA:t är som hårdast packat under celldelningen ser de ut som små ”stavar” och kallas då för kromosomer. Om kromosomerna infärgas med ett färgämne kan de urskiljas i ett ljusmikroskop av den typ som används på skolor.
48
Cellen, DNA och genteknik
En cell hos en organism med två kromosompar, avbildad alldeles efter en celldelning. Kromosomerna är i detta stadium fortfarande tätt packade och kan ses i ljusmikroskop. En av kromosomerna i varje par har markerats blå färg och den andra med lila.
Hos arter med sexuell fortplantning innehåller cellerna vanligtvis en dubbel uppsättning av kromosomer där var och en av kromosomerna i varje par ärvts från vardera föräldern. I män niskans celler finns vanligen 46 kromosomer uppdelade i 23 kromosompar. Undantaget är könscellerna, där det som regel endast finns 23 kromosomer i en enkel kromosomuppsättning.
Kroppsceller
Könsceller
spermier
Varje cell har dubbel kromosomuppsättning
obefruktat ägg Varje cell har enkel kromosomuppsättning
En cell hos en organism med två kromosompar, Kroppscellerna har till skillnad från könscellerna en dubbel kromosomuppsättning. Hos många organismer utgörs könscellerna av spermier och ägg.
Cellen, DNA och genteknik
49
HISTORIK Upptäckten av DNA DNA isolerades för första gången redan år 1869. Dock skulle det dröja ytterligare nästan ett sekel innan någon riktigt förstod hur DNA var uppbyggt och fungerar. Gåtan fick sin lösning i Cambridge i England på 1950-talet efter det att två unga och ännu relativt okända forskare, James Watson och Francis Crick, antagit utmaningen. Till sin hjälp hade de flera viktiga pusselbitar från andra forskare att utgå ifrån. De visste därför att det var DNA och inte proteiner som innehöll arvsanlagen. De visste också att det fanns fyra olika kvävebaser i DNA och att en cell alltid innehöll lika många nukleotider med
kvävebaserna A och T respektive C och G. Till sin hjälp hade de också en bild som en annan ung forskare vid namn Rosalind Franklin tagit några år tidigare och som pekade på att DNAmolekylen var spiralvriden. Efter upptäckten lär Crick ha offentliggjort upptäckten genom att utbrista –”Vi har avslöjat livets hemlighet”. För sina bedrifter tilldelades James Watson, Francis Crick och Maurice Wilkins Nobelpriset i Medicin år 1962. Rosalind Franklin hade då tyvärr redan avlidit och kunde inte till delas priset på grund av Nobelprisets regler.
Francis Crick till vänster och James Watson med en av de första kompletta modellerna av DNA-molekylen. Upptäckten gjordes 1953 på universitetet i Cambridge, England.
50
Cellen, DNA och genteknik
DNA:s funktion DNA-molekylen har två viktiga funktioner. Den ena är att föra arvsanlag vidare till dotterceller och avkomma. Detta är möjligt eftersom varje DNA-molekyl kan kopieras till två exakta kopior i den process som kallas replikationen. Den andra funktionen är att DNA innehåller receptsamlingen för hur olika proteiner ska byggas ihop i den process som kallas proteinsyntesen.
Replikationen Replikationen betyder att DNA-molekylen kopieras och detta sker innan en cell delar sig. På så sätt får var och en av dotter cellerna var sin uppsättning av arvsanlagen. Det finns flera an ledningar till varför celler delar sig. Hos flercelliga organismer är det nödvändigt för att den ska kunna växa. Det är också nödvändigt för att gamla och skadade celler ska kunna ersättas och för att nya könsceller ska kunna produceras. Replikationen inleds med att enzymet helikas separerar de båda DNA-strängarna från varandra. I cellkärnan finns fria ”DNA-byggstenar”, nukleotider. Ytterligare en grupp enzymer, DNA-polymeras, kopplar därefter fast nukleotider med matchande kvävebaser till kvävebaserna på DNA-strängarna. På så sätt bildas två identiska DNA-molekyler.
Helikas Fria nukleotider
oly
p ADN s ra me
En DNA-molekyl kopieras i den process som kallas replikationen. Enzymet helikas separerar de båda DNA-strängarna åt medan DNA-polymeras ”fäster” nukleotider på DNA-strängarna så att två nya bildas.
Cellen, DNA och genteknik
51
Både hår och naglar består av proteinet keratin. Receptet för hur det ska byggas ihop finns lagrat i vårt DNA.
Proteinsyntesen Det är ordningen på kvävebaserna i vårt DNA som innehåller recepten för hur proteinerna ska tillverkas i cellen. Den del av DNA som innehåller ett recept för ett specifikt protein kallas för en gen. Totalt finns ungefär 20 000 olika gener i människans arvs anlag. De proteiner som byggs ihop kan ha flera olika funktioner i kroppen. Många proteiner utgör viktiga byggstenar i kroppen, till dessa hör proteiner som bygger upp hud, hår, muskler, senor och brosk. Vissa proteiner fungerar som enzymer och behövs för att vi ska kunna bryta ner den föda vi äter. Proteiner kan också fungera som hormoner, exempelvis insulin och tillväxthormon, och har till uppgift att reglera viktiga funktioner i kroppen. Pro teiner i form av antikroppar utgör en del av vårt immunförsvar. I proteinsyntesen överförs den genetiska informationen från DNA till protein via en ”budbärarmolekyl” kallad mRNA. I processens första steg, transkriptionen, öppnas DNA-molekylen av ett enzym vid den genen som innehåller ”receptet” för det
52
Cellen, DNA och genteknik
önskade proteinet. Därefter byggs en enkelsträngad RNA-mole kyl ihop med genen som mall. I RNA finns också kvävebaser, men med skillnaden att T utbytt mot U. När mRNA-molekylen är färdigbyggd transporteras den till en ribosom utanför cellkärnan. I processens andra steg, translationen, läses kvävebaserna i mRNA av och översätts till en kedja av aminosyror. I cellen finns totalt 20 olika aminosyror och dessa transporteras till ribosomen av speciella ”transportmolekyler” kallade tRNA. Kvävebaserna på mRNA översätts därefter till en kedja av aminosyror. När kedjan är färdig lossnar den från ribosomen, veckas ihop, och får sin speciella form. Det är först efter detta som den blir ett fungerande protein.
transkriptionen
DNA-molekyl
translationen mRNA ”budbärare” protein
I proteinsyntesen överförs den genetiska informationen från DNA till protein via en ”budbärarmolekyl” kallad mRNA. Om cellkärna finns sker transkriptionen i denna medan translationen sker på en ribosomer utanför cellkärnan.
Cellen, DNA och genteknik
53
Den genetiska koden Den genetiska koden beskriver hur en sekvens av kvävebaser i mRNA ska översättas till en kedja av aminosyror i ett protein. Här följer en instruktion på hur det går till: Steg 1: I översättningstabellen för mRNA (se figur) läses kvävebaserna av tre och tre. Varje sådan grupp kallas för en triplett. Börja med att leta upp den första kvävebasen i en triplett i första kolumnen på tabellens vänstra sida. Vi vet då i vilken rad aminosyran kan finnas. Steg 2: Leta nu upp den andra kvävebasen i tripletten. Den finns i raden ovanför tabellen. Följ kolumnen nedåt tills du hamnar i ”din” rad (första kvävebasen). Då vet du vilken ”ruta” aminosyran finns i. Steg 3: Avsluta med att söka upp den tredje kvävebasen i tripletten i sista kolumnen på tabellens högra sida. Följ raden horisontellt åt vänster och du kommer att hitta den aminosyra du söker. Exempelvis kommer tripletten AUG översättas till aminosyran metionin enligt den genetiska koden. Metionin är en startsekvens vilket innebär att alla aminosyrakedjor börjar med denna. Om en triplett innehåller en stoppsekvens kommer detta innebära att kedjan av aminosyror inte byggs på längre samt lossnar från ribosomen.
Andra kvävebasen
U
C
A
G
54
Cellen, DNA och genteknik
Serin Serin Serin Serin Prolin Prolin Prolin Prolin Treonin Treonin Treonin Treonin Alanin Alanin Alanin Alanin
A Tyrosin Tyrosin Stopp Stopp Histidin Histidin Glutamin Glutamin Asparagin Asparagin Lysin Lysin Aspartat Aspartat Glutamat Glutamat
G Cystein Cystein Stopp Tryptofan Arginin Arginin Arginin Arginin Serin Serin Arginin Arginin Glycin Glycin Glycin Glycin
U C A G U C A G U C A G U C A G
Tredje kvävebasen
Första kvävebasen
U
Fenylalanin Fenylalanin Leucin Leucin Leucin Leucin Leucin Leucin Isoleucin Isoleucin Isoleucin Metionin Valin Valin Valin Valin
C
TESTA DIG SJÄLV 1. Vilka är de fyra olika kvävebaserna i en DNA-molekyl? 2. Vad består en nukleotid av? 3. Fyll i de kvävebaser som fattas i figuren nedan. DNA-molekyl 4. Hur stor är i genomsnitt den genetiska likheten mellan olika människor? 5. Vem upptäckte DNA-molekylens struktur? 6. Vilken roll har enzymet helikas i replikationen? 7. Ge exempel på några olika funktioner som proteiner kan ha i kroppen. 8. Vad heter den process där en gen från den ena DNA-strängen skrivs av till en bit mRNA? 9. Fyll i de kvävebaser som fattas i figuren nedan. DNA-sträng mRNA 10. Vilken funktion har tRNA i proteinsyntesen? 11. Vad kallas de byggstenar som bygger upp ett protein?
Cellen, DNA och genteknik
55
FÖRDJUPNING Proteinsyntesen steg för steg Transkriptionen Sker i cellkärnan
Nukleotider (RNA-byggstenar) 2
1
DNA-molekyl
mRNA
Transkriptionen är den process där en gen på DNA skrivs om till mRNA. Detta sker i cellkärnan hos eukaryota organismer.
I transkriptionen skrivs en bit av den ena DNA-strängen av till mRNA. Efter transkriptionen lossnar mRNA från DNA-molekylen, som då återtar sin ursprungliga form.
RNA-polymeras 3 4
1. Ett enzym kallat RNA-polymeras delar på strängarna i DNA-molekylen vid det ställe där den ena av de två strängarna ska över- sättas till mRNA. 2. Fria nukleotider (i detta fall RNA-byggstenar) kopplas därefter fast på den DNA-sträng som ska skrivas av.
3. Det byggs efterhand upp en mRNA-molekyl. Denna påminner om en enkelsträngad DNA-molekyl men istället för sockerarten deoxiribos finns ribos tillsammans med fosfat i ”ryggraden” och kvävebasen T är utbytt mot U (Uracil). När mRNA-molekylen byggts klart släpper den från DNA-molekylen som då återtar sin ursprungliga form. 4. mRNA transporteras ut ur cellkärnan (om det är en eukaryot organism) för att fästa sig på en ribosom i cellplasman.
56
Cellen, DNA och genteknik
Translationen I denna process används mRNA som mall för att tillverka proteiner. Först översätts mRNA till en viss ordning av aminosyror, en aminosyra sekvens. Aminosyrorna bildar en lång kedja. Detta sker hos alla organismer på ribosomer i cellplasman.
I translationen läses kvävebaserna i mRNA av i grupper om tre och översätts till en kedja av aminosyror. För att proteinet ska bli aktivt måste aminosyrakedjan först veckas så att den får en speciell form.
Sker på ribosomer i cellplasman
8
aminosyrakedjan veckas ihop
7
Met
Arg Leu amin
6
osyr a
5
tRN
A
mRNA ribosom
5. Speciella molekyler kallade tRNA (trans- port-RNA) har som uppgift att transportera aminosyror till ribosomen. I cellen finns totalt 20 olika aminosyror och dessa kan bara binda till en viss bestämd tRNA. 6. När kvävebaserna på tRNA matchar med de på mRNA, lämnar tRNA av sin aminosyra till den förra aminosyran och lossnar från mRNA.
7. Aminosyrorna förenas allt eftersom till en aminosyrasekvens fram till det kommer en stoppsekvens i mRNA. Inga fler aminosyror kan fogas samman i kedjan. 8. På grund av kemiska interaktioner mellan de olika aminosyrorna kommer kedjan veckas ihop på olika sätt när den är färdig- byggd. Det är när hela aminosyrakedjan veckas ihop som den blir till ett fungerande protein. Vissa proteiner stannar kvar i cellen för att utföra olika uppgifter medan andra transporteras ut ur cellen för att vara verksamma någon annanstans i kroppen. Cellen, DNA och genteknik
57
B4 Mutationer Diskutera Nya egenskaper hos organismer uppstår genom mutationer. Men varför sker mutationer?
Sphynx eller nakenkatten härstammar från en kattunge som föddes 1966 och som på grund av en mutation helt saknade päls.
58
Cellen, DNA och genteknik
Förändringar i DNA En mutation innebär att det sker en förändring i vårt DNA. Muta tioner kan uppkomma genom att en kvävebas hamnar på fel plats eller att långa sträckor av DNA-molekylen går förlorade, vänds eller byter plats.
Mutationer kan uppkomma genom ”tryckfel” i kopieringen. I detta fall fästs en byggsten med kvävebasen C där det borde vara ett T. Sådana fel inträffar ungefär på en av tio miljoner kvävebaser.
mutation på grund av fel i replikationen
Vissa mutationer beror på slumpartade förändringar, exempelvis om det sker ett ”tryckfel” när DNA-molekylen kopieras. Risken för mutationer kan öka om en organism utsätts för exempelvis cancerframkallande ämnen, tumörvirus eller energirik strålning. Genom att göra medvetna livsstilsval kan man minska risken för att skadliga mutationer ska ske. Den idag viktigaste kända orsaken till cellskador som leder till en ökad risk för cancer är tobaksrökning. I vårt land orsakar rökning cirka 8 000 cancerfall per år, vilket motsvarar mer än en sjättedel av alla cancerfall. Små mutationer där bara en eller ett par kvävebaser förändras kan cellen ofta själv reparera. I våra celler finns flera kontrollmekanismer som består av reparationsenzymer vars funktion är att leta upp och byta ut skadade delar av vårt DNA. Även om de flesta mutationer upptäcks och repareras kommer en del mutationer att kvarstå.
Cellen, DNA och genteknik
59
Cancerframkallande ämnen från exempelvis cigaretter UV-strålning
Tumörvirus
Joniserande strålning
Slumpmässigt fel i DNA
Mutation
Mutationer kan uppkomma på grund av slumpen men också orsakas av yttre faktorer som cancerframkallande ämnen, tumörvirus och energirik strålning. Genom att göra medvetna livsstilsval kan vi därför minska risken för att få skadliga mutationer.
Celler som bär på mutationen
Synliga mutationer kan få till följd att kroppsfärgen blir mer eller mindre kamouflerad. Här visas olika färgvarianter av björkmätare (Biston betularia) sittande på underlag av olika färg.
60
Cellen, DNA och genteknik
Alla mutationer som sker påverkar inte organismen. Detta beror på att stora delar av vårt DNA verkar sakna funktion. Sker mutationen i en del av DNA som har en funktion finns två möjliga scenarier. Om mutationen som sker inte resulterar i en förändrad aminosyrasekvens kallas mutationen för ”tyst” och kommer inte påverka individen. Om den istället resulterar i en förändrad aminosyrasekvens kallas den för ”synlig” och kan resultera i att cellen får nya egenskaper. Synliga mutationer är oftast till nackdel för individen. Det är bara i sällsynta fall en mutation innebär en ökad överlevnadschans för individen. Ur ett evolutionärt perspektiv är mutationer viktiga. Det är de som gör att arter kan utvecklas och anpassas till nya miljöer, vilket i sin tur kan leda till att nya arter bildas. Notera att det bara är de mutationer som sker i könscellerna, eller i de celler som bildar könscellerna, som kan gå i arv. Detta beror på att de mutationer som sker här också kommer finnas i den befruktade äggcellen och alla de celler som denna utvecklas till.
Slumpvisa mutationer
Sker i del av DNA med funktion
”Synlig” mutation
Mutationen sker i en könscell
Sker i del av DNA utan funktion
”Tyst” mutation
Inget händer!
Mutationen sker i en könscell
Cellen kan skadas och dö. I vissa fall kan mutationen ge upphov till en cancertumör.
Ärftliga förändringar kan föras vidare till avkomman. I vissa fall kan mutationen leda till en evolutionär fördel för avkomman men oftare innebär det en nackdel.
Översikt över vilka följderna kan bli av en mutation. Det är endast ”synliga” mutationer i delar av det DNA som har en funktion som kan få följder för en individ. Om mutationerna dessutom sker i könscellerna kan de också föras vidare till avkomman.
TESTA DIG SJÄLV 1. Vad är en mutation? 2. Ge flera exempel på faktorer som kan öka risken för mutationer. 3. Vad händer om en mutation sker i en del av DNA som saknar funktion? 4. Vad skiljer en ”synlig” mutation från en ”tyst”? 5. Vad kan en mutation i en kroppscell resultera i? 6. Är de mutationer som sker i könsceller oftast till en för- eller nackdel för avkomman?
Cellen, DNA och genteknik
61
FÖRDJUPNING Cancer – en okontrollerad celltillväxt Cancer är ett samlingsnamn för många olika sjukdomar som alla har gemensamt att cellerna har börjat dela sig okontrollerat eftersom de förlorat kontrollen över sin tillväxt. Eftersom de förändrade cellerna börjar dela sig i en snabbare takt än vad de gamla dör, resulterar detta i att det uppstår en växande klump av celler, en så kal lad tumör. Tumören kan antingen vara godartad eller elakartad. Det är de elakartade tumörerna som orsakar cancer då de kan växa in i omgivan de vävnad samt sprida sig till andra delar av kroppen för att där ge upphov till dottertumörer (metastaser). Notera att det finns över 100 olika cancersjukdomar och dessa har olika symtom, olika prognos, och behandlas på olika sätt. En cancersjukdom utvecklas i flera steg och är resultatet av en lång och komplicerad kedja Vävnad bestående av friska celler
av händelser i cellen. Cancerceller karaktäriseras av att ha fler mutationer i sitt DNA än friska celler. Om det är dessa mutationer som är grundorsaken till cancern eller om mutationerna istället uppstår som en konsekvens av att cellerna har en skadad ämnesomsättning eller förändrad genreglering råder det idag delade meningar om. Oavsett vad grundorsaken är kommer många av de sjuka cellerna på ett tidigt stadium upptäckas och bekämpas av vårt eget immunförsvar. Eftersom immunförsvarets effektivitet avtar med stigande ålder tros detta vara en av förklaringarna till varför äldre personer oftare får cancer än yngre personer. Den övervägande delen är över 65 år när sjukdomen upptäcks.
Cancerceller
Cancerceller i elakartade tumörer kan sprida sig och växa in i omkringliggande vävnad samt ge upphov till dottertumörer (metastaser).
Cancercell som kan bilda en dottertumör (metastas) på någon annan plats i kroppen
62
Cellen, DNA och genteknik
Några av de vanligaste cancerformerna i Sverige: • • • • •
Prostatacancer Bröstcancer Hudcancer Tjocktarmscancer Lungcancer
Behandlingsformerna för cancer har under den senaste tiden tagit stora kliv framåt och de viktigaste behandlingsmetoderna är idag kirurgi, strålbehandling och kemoterapi med cellgifter. Utöver detta har man också framgångsrikt börjat använda en ny typ av behandlingsmetod som kallas immunterapi som bygger på att man manipulerar immunförsvaret för att få det att angripa cancercellerna.
Livsstilsval som kan minska risken för cancer 1. Att undersöka sig själv Ju tidigare en cancer upptäcks desto bättre är prognosen. Det är därför en god idé att vara uppmärksam på kroppsliga förändringar som inte känns igen. Detta gäller särskilt hudför ändringar, knölar i t.ex. bröst och blödningar från tarmen. Oftast beror dessa förändringar på andra faktorer men det rekommenderas att sjukvården kontaktas för säkerhets skull. 2. Att gå på screening för att upptäcka cellförändringar i ett tidigt stadium I Sverige erbjuds alla kvinnor mammografi för att upptäcka bröstcancer och cellprovtagning för att upptäcka livmoderhalscancer. Vid dessa kontroller kan vissa cancersjukdomar upptäckas tidigt. En tidig upptäckt kan öka chansen att bli av med cancern.
3. Att leva sunt Man vet att vissa levnadsvanor kan öka eller minska risken för att få cancer. Att undvika rökning, dricka måttligt eller ingen alkohol, äta mycket frukt och grönt och mindre av eller inget rött kött har tillsammans med regelbunden motion visat sig minska risken för cancer. 4. Att sola med förstånd Risken för att få malignt melanom ökar vid mycket solande. Det är den allvarligaste formen av hudcancer och risken att drabbas kan minskas om man solar med förstånd. Detta är särskilt viktigt för personer med ljus hud som lätt blir röd. 5. Att vaccinera sig mot HPV En del virus, så kallade HPV, kan orsaka vårtor på könsorganen (kondylom) och i sällsynta fall också cancer i livmoderhalsen. Dessa virus är vanliga och kan spridas vid sexuellt umgänge. Användning av kondom ger visst skydd men genom vaccinationer av ungdomar kan smittspridningen minskas och livmoderhalscancer förebyggas. 6. Att undvika radon från bostäder Radon är en gas som finns naturligt från vissa berggrunder och från vissa byggnadsmaterial. Eftersom radon avger joniserande strålning kan exponering ge en ökad risk för lungcancer. Radonmätningar är relativt enkla att utföra och det finns metoder att minska radonhalterna ifall de är för höga. 7. Att minska exponeringen för luftföroreningar Rökgaser från fordon, industrier och vedeldning kan innehålla cancerframkallande ämnen som kan orsaka cancer. Att minska exponeringen för dessa cancerframkallande ämnen innebär också en minskad risk för att få cancer. Cellen, DNA och genteknik
63
B5 Växtförädling och husdjursavel Diskutera Sedan vi först började bedriva jordbruk för 10 000 år har jordens befolkning mångdubblats. Vilken roll har växtförädling och husdjursavel spelat för att detta ska ha varit möjligt?
En jordbrukare inspekterar majsen innan skörd. 64
Cellen, DNA och genteknik
Vilka egenskaper är det vi medvetet valt ut hos hunden? Trogen, snäll och uppmärksam verkar vara uppskattade egenskaper hos ”människans bäste vän”.
Det började med hunden Människan har ända sedan förhistorisk tid ägnat sig åt förädling av vilda växter och djur. Först ut att förädlas var med största sannolikhet hunden, vars ursprung är vilda vargar. Det äldsta arkeologiska fynd av det som vi med säkerhet kan fastställa är en tamhund är omkring 14 200 år gammalt. Att människan överhuvudtaget började förädla växter och djur var en förutsättning för att människor övergick från att leva som jägare-samlare till att bli jordbrukare. Detta har i sin tur lagt grunden för den moderna civilisationens uppkomst och den stora befolknings ökning som pågått under de senaste seklen.
Växtförädling och djuravel Både växtförädling och djuravel bygger på att vi valt ut individer med önskvärda egenskaper för fortplantning. Detta har med tiden lett till att både växters och husdjurs egenskaper gradvis förändrats. Som ett resultat av årtusenden av medvetna urval har vi idag grödor som ger större skördar än någonsin förr. Även inom djurindustrin har en ökad produktivitet uppnåtts. Den genomsnittliga mängden mjölk en ko kan ge per år har ökat från omkring 2 000 till över 10 000 liter på bara 100 år. De höns som avlats fram för äggproduktion lägger idag runt 300 ägg per år medan deras vilda släktingar endast lägger omkring 10 ägg.
Cellen, DNA och genteknik
65
Frön från plantor med de mest önskade egenskaperna används som utsäde vid nästkommande års plantering
Generation 1
Generation 2
Generation 3
Genom att medvetet göra ett urval av veteplantor med ”önskade” egenskaper har skördarna kunnat öka. De vetesorter som används i det moderna jordbruket har exempelvis mer kärna (frö) och mindre strå (stjälk) än äldre sorter.
En förutsättning för all växtförädling och djuravel är att de ”önskade” egenskaperna vid något tillfälle måste ha uppkommit av sig själva. Detta sker naturligt genom att mutationer orsakar förändringar i arvsanlagen. Eftersom den naturliga mutationstakten är relativt långsam begränsar det förädlingsarbetet. Genom att utsätta frön för mutagena kemikalier eller för energirik strålning kan man emellertid öka mängden slumpvisa mutationer hos frön. Denna teknik har exempelvis använts för att ta fram nya sorter av raps, korn, bomull och ris. Nackdelen med denna metod är att det behövs ett stort antal plantor för att få fram en enda livsduglig individ med de önskvärda egenskaperna. Detta gör metoden både tidskrävande och kostsam.
66
Cellen, DNA och genteknik
Önskvärda egenskaper Sedan våra kunskaper om genetik fördjupats under det senaste seklet har växtförädling och djuravel kunnat ske mer systematisk än tidigare. För att förädlings- och avelsarbetet ska vara effektivt sätter man upp tydliga mål över vilka egenskaper man efterfrågar. Inom växtförädlingen handlar dessa ofta om hur hög avkastning en gröda har och hur motståndskraftig den är mot skadedjur. Inom djuravel handlar det istället om hur snabbt djuren växer, hur mycket mjölk de producerar och hur motståndskraftiga de är mot olika sjukdomar.
hög avkastning
motståndskraft mot skadegörare
stor andel kött efter slakt
hög tillväxthastighet
effektivt näringsupptag
motståndskraft mot sjukdomar
stor mjölkmängd
motståndskraft mot sjukdomar
växtsätt som underlättar skörd
snabbhet
Exempel på önskvärda egenskaper inom växtförädling och djuravel.
Inom djuravel är det vanligt att man gör en konstgjord befrukt ning via insemination. Detta innebär att man tar spermier från ett fåtal hanar med högt avelsvärde och använder dessa för att befrukta ett stort antal honor. När detta görs är det viktigt att tillräckligt många hanar används för att inavel ska undvikas i framtiden.
Cellen, DNA och genteknik
67
Motsvarande förädlingsarbete av honor är något svårare. Detta beror på att antalet avkommor begränsas av honornas dräktighetstid. För att komma runt detta kan man använda en teknik där embryon samlas in från honor med höga avelsvärden och förs över till honor som får fungera som surrogatmödrar.
Negativa konsekvenser av djuravel
Idag är det vanligt att hästar förökas genom konstgjord befruktning. Detta innebär att sperma från hingstar med höga avelsvärden placeras i stonas fortplantningsorgan.
Inom djuravel finns flera exempel på när avelsarbetet riskerar leda till att djuren lider eller får hälsoproblem. Detta kan exempelvis gälla Belgisk blå, en nötkreatursras som avlats fram för att ge så mycket kött som möjligt. Som en effekt av detta kan det finnas svårigheter för kalvarna att födas på naturlig väg, vilket innebär att de kan behöva förlösas genom kejsarsnitt. Det kan också gälla vissa trubbnosiga hundraser och varianter av sällskapsfiskar där estetiska intressen drivit på aveln så hårt att hälsoproblem uppstått.
Hos denna unga tjur av nötkreatursrasen Belgisk blå framträder den välutvecklade muskulaturen tydligt. Detta beror på att rasen har en mutation i den gen som hämmar muskeltillväxten.
68
Cellen, DNA och genteknik
Lantraser, gamla kulturväxter och genbanker I takt med att Sverige industrialiserades ersattes många husdjursraser och jordbruksgrödor av mer lönsamma sorter. De ursprungliga husdjursraserna kallas för lantraser. De är ofta härdiga och anpassade till att överleva under hårda förhållanden med sämre kvalitet på foder. Arbetet med att bevara lantraser sker idag ofta ideellt. Om rasen finns med på EU:s lista över utrotningshotade husdjursraser kan de som arbetar med att bevara dessa också få ekonomisk ersättning.
Linderödssvinet är en av de lantraser som överlevt till våra dagar. Rasen var nära att utrotas men idag finns ett livskraftigt bestånd på runt 600 djur i Sverige.
Med gamla kulturväxter är situationen densamma som för lant raser. Många har konkurrerats ut av nya mer produktiva varianter. Även om de nya varianterna ger jämförelsevis större skördar är de samtidigt beroende av att rikligt med konstgödsel och bekämpningsmedel används, vilket kan påverka miljön negativt. En övergång till de nya varianterna har också fått till följd att den genetiska variationen i jordbruket minskat. I många länder finns det därför genbanker som samlar in och sparar gener från gamla kulturväxter. Som en extra säkerhet skickar många länder också frön från sina genbanker till fröbanken på Svalbard.
Cellen, DNA och genteknik
69
Denna ägs av den norska staten och där förvaras över 860 000 fröprover från olika länder. Fröbanken är byggd 125 meter in i berget och proverna hålls frusna delvis tack vare den omgivande permafrosten. Om lantraser och äldre kulturväxter dör ut så utplånas unika arvsanlag. Det finns flera anledningar till varför man vill bevara dessa. Det kan exempelvis, om vi i framtiden skulle drabbas av en större katastrof av något slag, komma en tid när vi behöver de gamla härdiga sorterna igen. Ingen kan heller med säkerhet veta vilka anlag husdjursraser och jordbruksgrödor kan behöva i framtiden. Äldre sorter kan exempelvis ha genetiska egenskaper som gör dem resistenta mot vissa sjukdomar. I och med detta kan dessa sorter också betraktas som en ”genetisk råvara” för framtida förädlingsarbete. I ”domedagsvalvet” som fröbanken på Svalbard ibland kallas finns fröprover från hela världen samlade. Byggnaden ligger insprängd i berget och ska kunna motstå både klimatförändringar, jordbävningar och kärnvapenexplosioner.
TESTA DIG SJÄLV 1. Beskriv hur det går till när man förädlar genom urvalsmetoden. 2. Ange metoder som kan användas för att öka mutationshastigheten när man förädlar växter. 3. Ge exempel på egenskaper som kan tänkas vara ”önskvärda” hos en jordbruksgröda. 4. Vad menas med insemination? 5. Vad menas med en ”lantras”? 6. Vilken funktion har en genbank? 7. Vilka risker finns det med att nya varianter av grödor konkurrerar ut de äldre sorterna? 8. Av vilka anledningar ligger världens största fröbank insprängd i berget på Svalbard? 9. Varför kan det vara viktigt att bevara gamla lantraser och kulturväxter?
70
Cellen, DNA och genteknik
FÖRDJUPNING Jordbrukets uppkomst Alla husdjursraser och jordbruksgrödor vi odlar idag har sitt ursprung i vilda släktingar. Men hur kommer det sig att vilda arter en gång i tiden började odlas och förädlas? Baserat på arkeologiska fynd vet vi att den första organiserade växtodlingen började för 10 000 år sedan i ett område som kallas den ”bördiga halvmånen” i mellanöstern. Detta område sträcker sig över det som idag utgörs av länderna Israel, Syrien och Irak. Intressant nog verkar övergången från
att leva som jägare-samlare till att bedriva jordbruk ha ägt rum på flera olika ställen på jorden samtidigt. Inom olika områden domesti cerades olika växt- och djurarter beroende på vilka tillgångar som fanns (se karta). Förändring en från att leva som jägare-samlare till att börja bedriva jordbruk inom dessa områden verkar inte ha skett som en plötslig händelse, utan snarare gradvis under en längre tid.
Karta som visar var några av de vanligaste husdjuren och grödorna först domesticerades.
Mellanöstern Vete, korn, get, får, nötboskap och dromedar Centralasien Häst
Nord- och centralamerika Kalkon, pumpa, majs och solros
Sydamerika Lama, alpacka, marsvin och potatis
Nordafrika Katt och åsna
Sydostasien och indien Hund, gris, vattenbuffel, nötboskap tamhöns, anka och ris
Cellen, DNA och genteknik
71
En forntida väggmålning från en grav i Egypten visar hur en veteskörd kunde gå till för 3 400 år sedan.
Vi vet inte vad som först fick oss att överhuvudtaget anlägga de första odlingarna och tämja de första djuren men förmodligen spelar faktorer som en ökande befolkning i kombination med en minskad tillgång på vilt en viktig roll. Att bedriva jordbruk ger som regel fler kalorier per ytenhet än vad jakt och insamling av vilda växter någonsin kan ge.
Vete och korn förädlas
Till några av de första växterna som började odlas hör vildvete och korn. Arkeologiska fynd bekräftar att detta ägde rum för mer än 10 000 år sedan i ”den bördiga halvmånen”. Hos de vilda sorterna av vete och korn bryts axet spontant upp när de energirika fröna är mogna
72
Cellen, DNA och genteknik
varvid fröna faller till marken. En mutation i en enda gen kan dock få till följd att denna process avstannar och som ett resultat kommer fröna hänga kvar på stråt även när de mognat. Hos en vild växt skulle denna mutation vara ogynnsam för växten eftersom den inte skulle ge någon överlevnadsfördel. I och med det skulle mutationen heller inte spridas vidare i populationen. För de människor som levde i området vid denna tid var mutationen dock gynnsam. Det var främst dessa muterade frön som människorna helst plockade, åt och planterade eftersom de hängde kvar på stråt och inte låg utspridda på marken. I och med att dessa frön valdes ut och planterades påbörjades också den första omedvetna växtförädlingen.
B6 Genetiska analyser Diskutera En genetisk analys av ditt DNA är idag snabb, lätt och billig att genomföra. Men vilken nytta har vi av sådana DNA-test?
En forskare för över DNA från en bomullspinne till ett provrör. Cellen, DNA och genteknik
73
Eftersom ordningen på kvävebaserna i vårt DNA är unika kan de användas som ett genetiskt fingeravtryck. Genom att hitta matchande DNA-profiler kan misstänkta personer knytas till en brottsplats.
Kriminaltekniska DNA-analyser Eftersom våra DNA-sekvenser är unika kan de liknas vid ”genetiska fingeravtryck”. Analyser av delar av vårt DNA kan därför användas i inom kriminaltekniska undersökningar. Detta görs genom att biologiska spår som hårstrån, blod eller sperma säkras på en brottsplats eller på ett föremål. Provet skickas där efter in till Nationellt forensiskt centrum (NFC) där arvsmassan kopieras och analyseras. Resultatet från analysen jämförs därefter med DNA-profilerna från misstänkta personer. Om DNAprofilerna matchar anses detta utgöra en ”stark bevisning” i en domstol.
74
Cellen, DNA och genteknik
Gentester inom sjukvården Inom sjukvården kan gentester göras för att hitta avvikande gener som kan orsaka eller ge en ökad risk för olika sjukdomar. Tester kan också göras för att kunna ge genetisk rådgivning till de som funderar på att skaffa barn och har sjukdomsanlag i släkten. Vi känner idag till ett flertal sjukdomar som beror på genetiska avvikelser i en enda gen. Vanligtvis är sjukdomsanlag recessiva, vilket innebär att de måste ärvas från båda föräldrarna för att sjukdomen ska visa sig. Ungefär 1 person av 40 i Sverige bär exempelvis på anlaget för cystisk fibros. Av dessa är det endast de som ärvt anlaget från båda sina föräldrar som kommer att få sjukdomen. De personer som endast har ett anlag utvecklar inte själva sjukdomen men kan föra anlaget vidare. Ett fåtal genetiska sjukdomar kan istället orsakas av dominanta anlag. Det räcker då med att anlaget ärvs från den ena föräldern för att sjukdomen ska visa sig. Gentester kan också göras för att hitta avvikande gener som kan ge en ökad risk för vissa sjukdomar. Ett exempel är generna BRCA1 och BRCA2 som påtagligt ökar risken för att en person ska utveckla en ärftlig form av bröst- och äggstockscancer. De personer som får besked om att de bär på dessa gener kan minska sjukdomsrisken genom att välja att operera bort brösten och äggstockarna som en förebyggande åtgärd.
Skådespelerskan Angelina Jolie hamnade på löpsedlar världen över när hon beslutade sig för att operera bort både bröst och äggstockar då det visat sig att hon bär på en mutation i BRCA1-genen.
Cellen, DNA och genteknik
75
Fosterdiagnostik och urval av befruktade ägg Fosterdiagnostik är ett samlingsnamn för alla undersökningar som görs av fostret under en graviditet. Ultraljudsundersök ningar tillsammans med blodprov kan exempelvis användas för att undersöka om det finns kromosomavvikelser hos fostret. En del vill få reda på detta för att kunna förbereda sig så bra som möjligt. Andra vill veta för att kunna ta ställning till om de i så fall ska göra abort. Vilket beslut som tas är upp till den som är gravid. Med en teknik för urval av embryon kallad PGD (Preimplan tatorisk Genetisk Diagnostik) är det möjligt att för den som gör provrörsbefruktning välja bort embryon med anlag för allvarlig sjukdom. Vid provrörsbefruktning befruktas ofta flera ägg samtidigt. Detta sker utanför kvinnans kropp, och flera ägg tillåts därefter utvecklas till embryon. Från dessa kan celler sedan avlägsnas och analyseras. Fosterutvecklingen störs inte av att en cell avlägsnas i detta stadium. Föräldrarna kan sedan välja vilket av dessa embryon de sätter tillbaks i kvinnans livmoder. På så sätt kan embryon med arvsanlag för en viss sjukdom som finns i släkten väljas bort. I Sverige är denna metod bara tillåten ifall föräldrarna bär på anlag för allvarliga, ärftliga sjukdomar. Att söka efter andra mutationer eller genetiska drag är alltså inte tillåtet.
Alla gravida erbjuds en ultraljudsundersökning i vecka 18–20 i syfte till att kontrollera att graviditeten fortskrider som planerat.
76
Cellen, DNA och genteknik
Gentester som man kan göra hemma Sedan en tid tillbaka finns ett stort utbud av företag som via internet säljer gentester för hemmabruk. Syftet kan vara släktforskning eller att få reda på mer om sin härstamning. Det kan också vara att undersöka ifall de arvsanlag man har ökar risken att drabbas av en rad olika sjukdomar. Allt som krävs är ett salivprov skickas till ett laboratorium där DNA:t utvinns och analyseras. När syftet är att bedöma risken för sjukdomar söker företagen efter genvarianter som forskarna identifierat som riskgener för några vanligt förekommande multifaktoriella sjukdomar. Till skillnad mot tidigare beskrivna genetiska sjukdomar orsakas multifaktoriella sjukdomar av yttre miljöfaktorer i samverkan med flera olika gener. Exempel på sådana sjukdomar är hjärtoch kärlsjukdomar, åldersdiabetes och Alzheimers sjukdom. Ett argument som framförs av de företag som säljer dessa gentester är att de ska hjälpa kunden att anpassa sin livsstil efter de riskgener som påträffas i arvsanlaget. Kritiker menar dock att gentester uteslutande borde göras av sjukvården där den som testas får professionell hjälp med att tolka resultaten. Felaktigt tolkade resultat riskerar skrämma upp personer och belasta sjukvården i onödan. Ytterligare ett argument mot de gentester som görs via internet är att de kan ge en falsk trygghet i de fall inga riskgener för en viss sjukdom hittas.
Det finns flera företag som erbjuder gentester som man kan göra hemma. Syftet kan vara att hitta avlägsna släktingar eller ifall man har ”riskgener” för olika sjukdomar.
TESTA DIG SJÄLV 1. Varför kan DNA fungera som ett ”genetiskt fingeravtryck”? 2. Av vilken anledning görs gentester inom sjukvården? 3. Vad menas med att ett anlag är recessivt? 4. Kommer en person som ärvt ett recessivt sjukdomsanlag från sin ena förälder men ett ”friskt” anlag från sin andra förälder utveckla sjukdomen? 5. När är det tillåtet att välja ut embryon med PGD i Sverige? 6. Vad menas med en ”multifaktoriell sjukdom”? 7. Vilka risker finns det med de DNA-tester som säljs för hemmabruk?
Cellen, DNA och genteknik
77
B7 Genmodifiering Diskutera Sedan den första lyckade genmodifieringen i slutet av 1970-talet har en rad andra organismer genmodifierats. Vad innebär det att en organism är genmodifierad?
Grisen till vänster i har genmodifierats genom att den fått en gen från en manet vilket gör att den blir självlysande i mörker.
78
Cellen, DNA och genteknik
Ingrepp i arvsmassan Vid genmodifiering av en organism innebär det att man på ett målmedvetet sätt gör ingrepp i dess arvsmassa så att den förändras. Detta öppnar nya möjligheter jämfört med traditionell växtförädling och djuravel eftersom det då inte längre är begränsat till att avla på egenskaper som uppstått genom slumpmässiga mutationer. En organism kan genmodifieras på flera olika sätt. En viss specifik gen kan exempelvis stängas av genom en riktad mutation. Det är också möjligt att även byta ut skadade gener och föra in främmande DNA i en organism för att på så sätt förändra dess arvsmassa. Eftersom den genetiska koden, hur DNA och mRNA översätts till aminosyror, är gemensam för allt liv på jorden innebär det att gener också kan flyttas mellan olika arter. Som exempel kan nämnas att bakterier som fått en mänsklig insulingen också har förmågan att tillverka mänskligt insulin. De organismer som fått främmande DNA från en annan art kallas för transgena organis mer. Eftersom endast vissa egenskaper som styrs av DNA påverkar utseendet går det inte alltid att se på en organism om den är genmodifierad eller inte.
Bakterien har genmodifierats genom att en insulingen från människa (röd) har satts in i en plasmid.
Atlantlaxen har genmodifierats genom att en gen från en annan laxart (röd) satts in i dess DNA.
Papayan har fått en gen från ett virus (röd) för att på så sätt vara skyddad mot en viss typ avvirussjukdom.
Samtliga organismer i exemplet ovan är transgena eftersom de har modifierat DNA med olika ursprung.
Cellen, DNA och genteknik
79
Genmodifierade bakterier Bakterier var de första organismerna att genmodifieras genom att de fick främmande DNA insatt i sitt eget DNA. I slutet av 1970-talet framställdes de första genmodifierade bakterierna som kunde producera mänskligt insulin. Fram till dess hade diabetiker fått använda insulin som extraherats från gris eller nötboskap. Detta orsakade vissa problem och kunde ge allergiska reaktioner. USA:s livsmedels- och läkemedelsmyndighet förklarade 1982 att insulin framställt transgena bakterier som säkert att använda. Efter det har i stort sett allt insulin framställts på detta sätt och problemen med allergiska reaktioner har minskat.
1
En plasmid tas ut ur en bakterie och ”klipps” upp med ett enzym 2 3
6
Insulinet är färdigt att användas
4
En insulingen isoleras ur en människocell Insulingenen ”klistras” in i plasmiden och förs tillbaks in i en bakterie
Bakterien odlas i en bioreaktor
5
Insulinet utvinns och renframställs
Figuren visar principen för hur en genmodifierad bakterie för produktion av mänskligt insulin tillverkas. De grönmarkerade områdena visar var insulin lämpligen kan injiceras i kroppen.
80
Cellen, DNA och genteknik
Genetiskt modifierade bakterier används också för att tillverka andra läkemedel, exempelvis medicin för blödarsjuka, vissa mediciner för behandling av cancer samt mänskligt tillväxthormon. Det senare produceras hos oss normalt i hypofysens framlob, som är belägen på undersidan av hjärnan. Hormonets främsta funktion är att reglera tillväxten hos barn. Om produktionen är för låg kan den leda till tillväxthormonbrist som i sin tur kan orsaka en viss form av kortvuxenhet. Idag tillverkas mänskligt tillväxthormon av läkemedelsbolag med hjälp av genetiskt modifierade bakterier som bär på den mänskliga genen för hormonet. Innan tekniken utvecklades utvanns istället hormonet ur hypofyser från avlidna människor. Denna metod hade dock flera nackdelar. Förutom att den var dyr och omständlig så fanns risk för att smittämnen för sjukdomar, såsom den dödliga Creutzfeldt-Jakobs sjukdom, överfördes till patienterna. I en enda tank, där det idag odlas genmodifierade bakterier, kan det på något dygn framställas tillväxthormon motsvarande hypofyser från 10 000-tals avlidna människor. Risken för att smittämnen ska överföras är samtidigt minimal.
Tillväxthormon har som funktion att reglera tillväxten. I de fall kroppen inte bildar tillräckliga mängder kan medicin ges som innehåller tillväxthormon producerat av transgena bakterier.
Cellen, DNA och genteknik
81
Genmodifierade djur
Djur kan genmodifieras genom att främmande DNA injiceras i en cellkärna med hjälp av en tunn nål.
Genom att ”stänga av” gener i möss kan man undersöka vilken funktion genen har.
82
Cellen, DNA och genteknik
I motsats till vad många tycks tro används knappt några genmodifierade djur inom livsmedelsindustrin. För djur som används för kött- och mjölkproduktion dominerar istället traditionell djuravel. Undantaget är en genmodifierad lax som sedan 2016 tillåts säljas i Kanada. Djur kan genmodifieras på flera olika sätt. En metod är att, med hjälp av en tunn nål, spruta in det främmande DNA:t i ett befruktat äggs cellkärna. Det främmande DNA:t sammanfogas därefter med organismens eget DNA. En annan metod är att använda gensaxen CRISPR/Cas9. Med den görs riktade mutationer för att inaktivera eller ersätta en viss gen i djurets ursprungliga DNA. Det stora användningsområdet för genmodifierade djur är idag inom medicinsk forskning. I huvudsak används möss efter som de har visat sig vara lämpliga försöksdjur. I och med att både möss och vi människor tillhör däggdjuren finns likheter som gör det möjligt att jämföra behandlingar av sjukdomar. Vanligast förekommande är genmodifierade så kallade knockoutmöss där man ”slagit ut”, det vill säga inaktiverat, en viss gen. På så sätt kan vi både ta reda på vilken funktion specifika gener har samt få fram försöksdjur som utvecklar olika sjukdomar. Hittills har forskare tagit fram knockoutmöss som utvecklat hjärt-kärlsjukdomar, diabetes, fetma och Parkinsons. Forskare också tagit fram möss som bär på gener som gör att de lättare utvecklar cancer. Dessa kan användas inom cancerforskningen.
Genmodifierade växter När det är inte är möjligt att få fram nya egenskaper genom traditionell växtförädling kan istället genmodifiering av växter komma till användning. Oftast handlar det om att en bit främmande DNA har satts in i en växt genom att den flyttats från en annan organism med exempelvis hjälp av bakterier. När växter inom jordbruket modifierats på detta sätt kallas de för genetiskt modifierade grödor eller GM-grödor. Globalt sett har odlingen av GM-grödor ökat kontinuerligt sedan de först började odlas i stor skala i USA på 1990-talet. Idag odlas GM-grödor på mer än 10 % av den totala odlingsarealen i världen. Det är alltså fortfarande konventionella grödor som är vanligast inom jordbruket i världen.
Det finns stora skillnader i var GM-grödor odlas. Den absolut största produktionen står USA för men en betydande produktion sker även i Brasilien, Argentina, Kanada och Kina. Inom EU är odlingen av GM-grödor i stort sett obefintlig.
Länder som tillsammans står för mer än 95 % av världsproduktionen av GM-grödor. Länder som tillsammans står för mindre än 5 % av världsproduktionen av GM-grödor. Länder där GM-grödor odlas på försök.
Cellen, DNA och genteknik
83
Skördarna av genmodifierade grödor (t.ex. sojabönan) kan öka eftersom de slipper konkurrens från ogräs och kan motstå insektsangrepp.
I huvudsak är det fyra olika grödor som dominerar odlingen av GM-grödor i världen idag. Det är soja, majs, bomull och raps. Dessa bär på någon eller en kombination av de två egenskaperna herbicidtolerans (HT) eller insektsresistens (IR). Med herbicid tolerans menas att växterna försetts med en gen så att de tål ett visst bekämpningsmedel mot ogräs. På så sätt kan konkurrerande ogräs enkelt bekämpas genom att fälten besprutas, medan grödan klarar sig oskadd. De växter som fått insektsresistens har modifierats genom att de fått en gen från en bakterie som gör att växten själv producerar ett insektsgift. Växter som fått båda egenskaperna tål både ogräsmedel samtidigt som grödan själv kan producerar ett skydd mot skadeinsekter.
TESTA DIG SJÄLV 1. Vad innebär det att en organism är ”transgen”? 2. Beskriv översiktligt hur det går till när vid framställning av en transgen bakterie som kan framställa mänskligt insulin. 3. Beskriv översiktligt hur ett djur kan genmodifieras. 4. Vilka användningsområden finns det för knockoutmöss där man inaktiverat en viss gen? 5. Vad står förkortningen GM för i GM-grödor? 6. Vilka är de vanligaste GM-grödorna och vilka egenskaper har dessa som andra grödor saknar? 7. I vilka länder odlas merparten av alla GM-grödor idag?
84
Cellen, DNA och genteknik
FÖRDJUPNING Genmodifierad lax I Nordamerika finns ett företag som har tagit fram en genmodifierad lax. Hos denna lax har man fört in genkopior från andra fiskarter i laxens DNA för att tillväxthastigheten ska öka. Laxen marknadsförs som ett miljövänligare och mer ekonomiskt alternativ till konventionellt odlad lax eftersom det går åt en mindre mängd foder per kilogram producerad fisk när den växer fortare. Det finns dock en oro kring vad konsekvenserna skulle bli ifall de genmodifierade laxarna lyckades rymma och fortplanta sig med sina
vilda släktingar. Då skulle den genetiska sammansättningen hos vild lax kunna förändras för all framtid. Som säkerhetsåtgärd har man därför gjort merparten av laxarna sterila. Frågor har också ställts kring om det är säkert att äta den genmodifierade laxen. USA:s livsmedels- och läkemedelsmyndighet har undersökt detta och gjort bedömningen att den genmodifierade laxen är lika säker att äta som konventionellt odlad lax. Än så länge är det bara i Kanada som den genmodifierade laxen godkänts för försäljning.
En jämförelse mellan genmodifierad lax (längst bak) och en ”vanlig” lax (längst fram) vid samma ålder.
Cellen, DNA och genteknik
85
FÖRDJUPNING För eller emot GM-grödor? Argument för och emot odling av genmodifierade grödor kan grunda sig i olika uppfattningar. Nedan tas några av de vanligaste argumenten i diskussionen om genmodifierade grödor upp. 1. Större skördar och effektivare markanvändning Anledningen till att herbicidtoleranta (HT) och insektsresistenta (IR) grödor överhuvudtaget odlas idag trots att fröna är dyrare än ”vanliga” frön är en följd av att avkastningen i regel är högre. Det beror inte på att frön och frukter har större storlek, utan snarare att skördarna från åkrarna blir större då plantorna slipper konkurrera med ogräs och kan stå emot skadeinsekter. Undersökningar som gjorts visade att skördarna ökat med 9 % för herbicidtoleranta och 25 % för insektsresistenta grödor. Högre avkastning innebär i sin tur ett effektivare mark utnyttjande och att vi behöver använda mindre arealer av odlingsmark för att producera motsvarande mängd mat och djurfoder jämfört med om konventionella grödor använts. 2. Ökad användningen av bekämpningsmedel Inom det konventionella jordbruket används bekämpningsmedel för att effektivisera jordbruksproduktionen. När det gäller odling av herbicidtoleranta (HT) grödor har man konstaterat att användningen av ogräsmedel har ökat när dessa började odlas. Om bekämpnings medel läcker ut från åkrarna till grundvattnet eller till den omgivande miljön kan det innebära en risk för både människors hälsa och den biologiska mångfalden. I länder som odlat insektsresistenta GM-grödor har istället en minskning av mängden insektsdödande medel i jordbruket kunnat observeras. 86
Cellen, DNA och genteknik
3. Risken för ekologiska skadeverkningar När det gäller påverkan på miljön diskuteras dessutom om det finns en risk för att de genmodifierade växterna ska överföra sina gener till vilda växter och vilka de ekologiska skadeverkningarna i så fall skulle bli. Trots att genöverföringar har konstaterats bedöms sannolikheten för att det ska leda till att det uppkommer ett ”superogräs” vara liten. 4. Hälsoaspekten När det gäller hälsoaspekten finns inget som tyder på att någon människa hittills blivit sjuk av att äta genmodifierade produkter och det är heller inte troligt att de sorter som finns på marknaden idag innebär några ökade hälsorisker jämfört med andra grödor. 5. Makten över maten En annan typ av argument grundar sig i att odlingen av genmodifierade grödor riskerar förskjuta makten från bönderna och konsumenterna till ett fåtal stora multinationella företag. Med tanke på att dessa företag i allmänhet är västerländska finns också en oro för att mer makt flyttas från fattigare till rikare länder. Detta har sin grund i att det som regel är en handfull stora multinationella företag som äger patenten för de GM-grödor som finns på marknaden idag. 6. Patentstrider Inom jordbruket har lantbrukare tidigare sparat en del av skörden varje år som utsäde. Om ett företag har patent på en GM-gröda innebär det att detta inte längre är tillåtet. Istället måste bönderna varje år köpa nya frön. Motståndare till detta menar att ingen har rätt att ta patent på liv. Dessutom riskerar bönder som tar lån för att ha råd med GM-frön att hamna i en skuldfälla ifall skörden slår fel.
B8 Genterapi på människor Diskutera Ska vi byta ut defekta gener med genterapi för att förhindra svåra genetiska sjukdomar?
Med gensaxen CRISPR/Cas9 är det möjligt att byta ut ”oönskade” gener. Förutom att bota sjukdomar skulle tekniken också kunna användas för att ”designa” våra barn.
Cellen, DNA och genteknik
87
Genterapi Grundtanken med genterapi är att defekta gener ska bytas ut mot fungerande genkopior. Detta för att förhindra svåra genetiska sjukdomar. Som vi sett i tidigare avsnitt kan spontana mutationer i könsceller ge ärftliga förändringar. Vi känner idag till ett par tusen genetiska sjukdomar som alla beror på någon defekt gen. I vissa fall kan en genetisk sjukdom orsakas av att endast en enda kvävebas i en gen bytts ut. Så är t.ex. fallet med sjukdomen sicklecellanemi där kvävebasen A ersatts av T. Ifall vi skulle lyckas ändra tillbaks kvävebasen i kroppens alla celler skulle personen också vara botad från sjukdomen. Även om det låter enkelt i teorin har det, åtminstone fram till nu, varit desto svårare att genomföra i praktiken.
Sjukdomen sicklecellanemi beror på att kvävebasen A ersatts av T på en specifik plats i människans DNA. Som ett resultat av detta får de röda blodkropparna en förändrad form.
Röda blodkroppar med ”normal” form
Röda blodkroppar vid sicklecellanemi.
I de första försöken som gjordes med genterapi i början av 1990-talet användes virus för att föra in ”friska” gener i cellerna. Metoden visade sig vara problematisk eftersom forskarna inte kunde styra exakt var genen hamnade. Efter ett misslyckat för sök, som resulterade i att en ung patient avled i USA, fick denna teknik mycket kritik. Under början av 2000-talet gjordes där emot flera lyckade försök med genterapi där barn som fått sitt immunförsvar utslaget kunde botas. Biverkningarna var dock svåra och flera av de barn som behandlades utvecklade blodcancer, leukemi.
88
Cellen, DNA och genteknik
Gensaxen CRISPR/Cas9 År 2012 togs ett språng i teknikutvecklingen i och med att de båda forskarna Emmanuelle Charpentier och Jennifer Doudna offentliggjorde upptäckten av gensaxen CRISPR/Cas9. Det unika med gensaxen är att den kan användas för att söka upp och klippa ut bestämda DNA-sekvenser. Om fungerande genkopior samtidigt tillsätts kan tekniken användas för att byta ut defekta gener. Detta påminner i stort om hur funktionen ”sök och ersätt” kan användas för att byta ut felstavade ord i ett textdokument. I och med upptäckten av gensaxen kan vi ha fått ett helt nytt verktyg för att framöver bota genetiska sjukdomar. Om genterapin utförs på könsceller eller befruktade ägg kommer förändringarna dessutom nedärvas till kommande generationer, vilket innebär att förändringarna blir ärftliga. Om vi gör detta kommer vi också styra över vår egen evolution. Frågan är dock i vilken utsträckning vi kommer vilja göra det. Användandet av gensaxen på oss själva kommer sannolikt väcka många frågor och ställa oss inför svåra moraliska dilemman.
Enzymet Cas9
1
Enzymet Cas9 guidas till en specifik plats på DNA-molekylen med hjälp av en bit RNA. Därefter ”klipps” DNA-molekylen av.
2
Den ”nya” genen som ska infogas tillsätts.
3
Den ”nya” genen kopplas därefter ihopmed de båda DNA-bitarna.
RNA som guidar enzymetCas9 till en specifik plats på DNA-molekylen.
Gen som ska ”klistras” in.
Eftersom enzymet Cas9 har till uppgift att ”klippa” av DNA-molekyler kallas det populärt för ”gensaxen”. Enzymet guidas till rätt plats på DNA-molekylen med hjälp av en bit RNA. Genom att samtidigt tillsätta ”nya” gener kan tekniken effektivt användas för att genmodifiera organismer.
Cellen, DNA och genteknik
89
Risker med gensaxen CRISPR/Cas9
Ska vi tillåta att genterapi används för att bota allvarliga sjukdomar eller kommer detta riskera att vi hamnar på ett ”sluttande plan” där gränsen för vad som anses acceptabelt ständigt flyttar allt närmare en punkt vi anser vara oetisk.
90
Cellen, DNA och genteknik
Samtidigt som det finns förhoppningarna om att den nya tekniken ska kunna användas för att bota allvarliga genetiska sjukdomar manar forskarsamfundet till försiktighet. De menar att att kunskapsläget ännu är för dåligt och riskerna för stora för att tekniken ska kunna börja användas på människor. Detta gäller framför allt de genetiska förändringar som görs på könsceller och befruktade ägg, eftersom dessa förändringar kommer bli permanenta och föras vidare till kommande generationer. En av de frågor vi kommer behöva ta ställning till, om vi beslutar oss att använda tekniken, är var gränsen ska dras för vilka sjukdomar som ska behandlas och inte. Ska vi bara tillåta behandling av sjukdomar med dödlig utgång eller ska det också omfatta mindre allvarliga sjukdomar? Det hela kompliceras av att det som betraktas som sjukt respektive friskt dessutom kan variera mellan olika tidsåldrar och kulturer. Att behandla allt vi nu uppfattar som ”sjukt” skulle därmed kunna resultera i att vi skriver in våra rådande samhällsvärderingar i vårt DNA för all framtid. En annan fara som kritiker ofta framhåller är risken för det som kallas för ”det sluttande planet”. Det betyder att en användning av genterapi för behandling av mycket allvarliga sjukdomar även öppnar dörren för behandling av mindre allvarliga sjukdomar. Och om detta tillåts, vad är det då som säger att vi ska stoppa där och inte fortsätta använda tekniken för att också välja vilka mentala egenskaper och vilket utseende våra barn ska födas med? Det som en gång började med att vi försökte rädda liv riskerar på så sätt leda till att vi också börjar ”designa” våra barn. I förlängningen finns en fara med att ett urval av egenskaper inte är förenligt med det demokratiska samhällets grundtanke om att alla människor har lika värde. Det finns även en risk att toleransen mot människor med vissa ”oönskade” egenskaper eller sjukdomar skulle minska i samhället.
Ska vi tillåta att genterapi används på könceller och befruktade äggceller?
Vi väljer att använda tekniken...
...och det visar sig att den fungerar som den ska.
– Vi måste ta ställning till vilka sjukdomar som ska behandlas och inte.
Vi väljer att INTE använda tekniken.
...och det visar sig att den INTE fungerar som den ska!
– Genmodifierade personer riskerar att få allvarliga biverkningar eller sjuk domar av behandlingen.
– Det kommer även framöver födas barn med svåra genetiska sjukdomar.
– Vi har inte gjort vad vi kunnat för att minska mänskligt lidande.
– Det finns en risk med att behandling av svåra sjukdomar med tiden leder till att vi ”designar” våra barn.
– Det finns en risk att urvalet av egenskaper hos avkomman leder till en ”kapprustning” ifall föräldrar strävar efter att avkomman ska få så ”bra” egenskaper som möjligt.
Figuren visar några tänkbara konsekvenser av olika handlings alternativ i frågan om vi ska använda genterapi för att förändra mänskliga arvsanlag eller inte. Notera att det riskerar att få konsekvenser även om vi väljer att inte använda tekniken.
– Det finns en risk att toleransen mot människor med vissa egenskaper eller sjukdomar minskar.
– Upplevda ”påtryckningar” kan få föräldrar välja bort egenskaper hos avkomman.
– Klyftorna i världen riskerar öka ifall de som redan bor i rika länder och har fri tillgång till sjukvård är de enda som erbjuds behandling. Cellen, DNA och genteknik
91
TESTA DIG SJÄLV 1. Förklara kortfattat vad som menas med genterapi. 2. I de första försöken med genterapi användes virus för att föra in ”friska” gener i celler. Varför visade sig denna metod vara problematisk? 3. I vilken typ av celler måste en genmodifiering göras för att den ska nedärvas till kommande generationer? 4. Vilken funktion har gensaxen CRISPR/Cas9? 5. Beskriv vad som menas med risken med ”det sluttande planet”? 6. Vilka kan konsekvenserna bli om vi väljer att använda gensaxen CRISPR/Cas9 för att bota genetiska sjukdomar? 7. Vilka kan konsekvenserna bli om vi väljer att avstå från att använda gensaxen CRISPR/Cas9 för att bota genetiska sjukdomar?
Emmanuelle Charpentier och Jennifer Doudna, forskarna bakom upptäckten av gensaxen CRISPR/Cas9. För sin upptäckt tilldelades de Nobelpriset i kemi år 2020.
92
Cellen, DNA och genteknik
FÖRDJUPNING Otillåten användning av CRISPR/Cas9 På en konferens om genteknik 2018 offentlig gjorde den kinesiske forskaren, He Jiankui, att han redan använt gensaxen CRISPR/Cas9 för att genmodifiera ett tvillingpar i Kina. Omvärldens reaktion var stark och många forskare och personer var snabba att fördöma det han gjort. Det finns flera anledningar till varför reaktionerna var så kraftiga. Ingreppet tycks bland annat ha skett utan någon form av godkännande och var därför otillåtet. Kunskapsläget är också enligt forskarsamfundet ännu för dåligt och riskerna för stora för att tekniken ska kunna användas på människor. Det råder fortfarande viss osäkerhet om alla detaljer i ärendet men mycket tyder på att He Jiankui använt gensaxen CRISPR/Cas9 för att föra in en mutation i en gen som gör barnen immuna mot HIV. Undersökningar av barnen har bekräftat att genmodifieringen verkar ha lyckats fullt ut hos den ena av tvillingarna men bara delvis hos den andra. Det forskare nu befarar är att genen som förändrats kan ha andra viktiga funktioner i kroppen och att den införda mutationen därmed kommer kunna orsaka hälsoproblem längre fram.
Kan genetisk modifiering av människor liknas med öppnandet av Pandoras ask? Enligt den grekiska mytologin fick den aldrig öppnas, eftersom en mängd olyckor och sjukdomar då skulle flyga ut över världen.
Cellen, DNA och genteknik
93
B SAMMANFATTNING » Allt liv på jorden består av celler och har arvsanlag » Hos eukaryoter är DNA-molekylerna uppdelade i i form av DNA.
» Cellen är livets minsta enhet. Organismer kan antingen vara en- eller flercelliga. Baserat på hur cellerna är uppbyggda delas organismerna in i bakterier, arkéer och eukaryoter.
ett antal mindre delar som när de är som hårdast packade kallas för kromosomer. Hos arter med sexuell fortplantning innehåller kroppscellerna vanligtvis en dubbel uppsättning av kromosomer. I könscellerna finns däremot bara en enkel uppsättning.
» Inför en celldelning kopieras DNA-molekylen i en
process kallad replikationen. Detta sker genom att enzymet helikas separerar de båda DNA-strängarna från varandra. Enzymet DNA-polymeras kopplar därefter fast fria nukleotider till de båda strängarna.
» Eukaryota celler har en mer komplex uppbyggnad » I våra gener finns ”recepten” över hur proteinerna än bakterier och arkéer eftersom de har membranomslutna organeller som cellkärna, mitokondrier, endoplasmatiska nätverk och golgiapparat. Växt celler har dessutom en cellvägg, en vakuol och kloroplaster.
» Hos människan finns omkring 200 celltyper som specialiserat sig på olika uppgifter.
» En DNA-molekyl består två nukleotidsträngar
som sitter ihop med varandra i en dubbelspiral. De två strängarna hålls ihop genom att kvävebasen A (adenin) bildar par med T (tymin) och C (cytosin) bildar par med G (guanin).
ska byggas ihop i cellen. I proteinsyntesen överförs den genetiska informationen från DNA till protein via en ”budbärarmolekyl” kallad mRNA.
» Den genetiska koden beskriver hur en sekvens av kvävebaser i en RNA-molekyl ska översättas till en kedja av aminosyror i ett protein.
» En mutation innebär att det sker en förändring i
vårt DNA. Risken för mutationer kan öka om organism utsätts för cancerframkallande ämnen, tumörvirus och energirik strålning.
» ”Synliga” mutationer resulterar till skillnad från
”tysta” mutationer i en förändrad aminosyrasekvens och kan påverka individen. Mutationer är oftast till nackdel för individen men kan då och då innebära en ökad överlevnadschans. Det är bara mutationer som sker i könsceller som förs vidare till nästa generation.
» Ur ett evolutionärt perspektiv är mutationer viktiga. 94
Cellen, DNA och genteknik
CELLEN, DNA OCH GENTEKNIK » I både växtförädling och djuravel har vi valt ut indi- » Transgena bakterier används för tillverkning av vider med önskvärda egenskaper för fortplantning. Detta har resulterat i en större produktivitet inom jordbruket men riskerar att konkurrera ut gamla sorter och utarma den biologiska mångfalden. Idag finns därför genbanker som samlar in och bevarar lantraser och äldre kulturväxter.
insulin och tillväxthormon. Genmodifierade djur används i huvudsak inom medicinsk forskning. Odlingen av GM-grödor sker främst utanför EU och domineras av växter som gjorts toleranta mot ogräsmedel (HT) eller kan producera sitt eget insektsgift (IR).
» Gentester kan inom sjukvården göras för att under- » Grundtanken med genterapi är att defekta gener söka ifall det finns en genetisk sjukdom eller ”riskgener” för en allvarlig sjukdom. De flesta genetiska sjukdomar orsakas av recessiva anlag, vilket innebär att anlaget måste ärvas från båda föräldrarna för att sjukdomen ska uttryckas.
» Med fosterdiagnostik kan tester göras för att se
ska bytas ut mot fungerande genkopior för att på så sätt kunna bota genetiska sjukdomar. Detta kan vara möjligt att göra med gensaxen CRISPR/Cas9. Om tekniken används till att ”designa” människor, istället för att bota allvarliga sjukdomar, riskerar det hota det demokratiska samhällets grundtanke om att alla människor har lika värde.
om fostret har vissa sjukdomar eller allvarliga avvikelser. Med PGD kan ”friska” embryon istället väljas ut i samband med provrörsbefruktning.
» När en organism genmodifieras innebär det att
dess arvsmassa förändras på ett målmedvetet sätt. Detta kan ske genom riktade mutationer eller att gener byts ut eller genom att främmande DNA förs in i en organism. De organismer som fått främmande DNA från en annan art kallas för transgena organismer.
Cellen, DNA och genteknik
95
B UPPGIFTER Förklara och utveckla
B3 5. Varför är det viktigt för encelliga organismer att DNA kan kopieras?
B1 1. Vilka gemensamma särdrag karaktäriserar levande organismer?
6. Vilken funktion har mRNA i proteinsyntesen?
2. Vilka olika sorters stimuli (retningar) skulle en katt kunna tänkas reagera på?
7. Varför har människans könsceller bara en enkel uppsättning arvsanlag när alla andra celler i kroppen har en dubbel? 8. Hur kan livsstilsval minska risken för att få skadliga mutationer?
B2 3. På vilket sätt ger vakuolerna och cellvägg arna växterna stadga?
9. Varför kan risken för att insjukna i cancer tänkas öka med stigande ålder?
4. I vilka organeller i växtcellen sker celland- 10. På vilket sätt kan användningen av kondom förebygga cancer i länder där HPV-vaccin ningen respektive fotosyntesen? inte erbjuds?
B4 11. Vilken roll spelar mutationer för att arter ska kunna utvecklas? 12. På vilka olika sätt kan en mutation i en könscell påverka avkomman?
B5 13. Vilka egenskaper kan ha ansetts ”önskvärda” då vi avlade fram de första hundarna? 14. Vilken roll spelar mutationer inom växtföräd- ling och djuravel? 15. Vilken betydelse kan bevarande av kultur- växter och lantraser tänkas ha för att trygga ett lands matförsörjning i framtiden? 96
Cellen, DNA och genteknik
CELLEN, DNA OCH GENTEKNIK B6 16. Hur gör man för att ta reda på om ett foster har eventuella kromosomavvikelser? 17. Vilka konsekvenser skulle det kunna tänkas få om resultatet från ett gentest hamnade i ”fel händer”?
B7 18. Hur skulle ett ekosystem kunna påverkas om gener överförs från genmodifierade organis- mer till vilda släktingar? 19. Förklara hur användningen av bekämpnings- medel påverkas av att GM-grödor odlas.
B8 20. Vilken typ av sjukdomar skulle vi kunna bota med hjälp av genterapi? 21. Varför kan det innebära en risk att föra in ”friska gener” i vårt DNA med hjälp av virus?
Ta ställning och argumentera 1. Borde virus räknas som levande organismer? 2. Borde gentester för hemmabruk få säljas fritt på internet? 3. Borde den genmodifierade AquAdvantage laxen få odlas och säljas i Sverige? 4. Är odling av GM-grödor ett steg i rätt riktning mot en hållbar utveckling? 5. Är odling av GM-grödor något som skulle gynna ”fattiga” länder ekonomiskt? 6. Överväger fördelarna med en storskalig odling av GM-grödor nackdelarna? 7. Varför anses genetisk modifiering av köns- celler och befruktade ägg hos människor väcka mer debatt än om motsvarande förändring görs i kroppsceller? 8. På vilket sätt skulle genmodifiering av män- niskor kunna hota ”människolivets okränkbar- het” och ”alla människors lika värde”? 9. Borde genterapi få användas som behand- lingsform och i så fall till vad?
Cellen, DNA och genteknik
97
Bildförteckning 35 3Dstock/Shutterstock 36 Ivan Hoermann/Shutterstock 39 Steve Gschmeissner/Science Photo Library/TT 45 Kallayanee Naloka/Shutterstock 50 A. Barrington Brown/Science Photo Library/TT 52 Rido/Shutterstock 58 Olga Chan/iStock 60 Ian Redding/Shutterstock 64 Fotokostic/Shutterstock 65 Karl-Niklas Hult 68:1 Pictureguy/Shutterstock 68:2 Eric Isselee/Shutterstock 69 Bertil Ericson/TT 70 Jonas Ekströmer/TT 72 Everett Collection/Shutterstock 74 gopixa/Shutterstock 75 Alexander Demyanenko/Shutterstock 76 Josep Suria/iStock 77 nevodka/Shutterstock 78 REX/Shutterstock EditorialTT 81 MIA Studio/Shutterstock 82:1 Mark Evans/iStock 83 Oleg Chepurin/iStock 84 Sandra Matic/iStock 85 BARRETT & MACKAY/AFP/TT 90 easyshutter/Shutterstock 92 Eloy Alonso/Reuters/TT 93 Linda Steward/iStock Övriga foton: iStock Illustrationerna är skapade med BioRender.com.