Panie profesorze, co jest cechą wspólną gier oraz genetyki?

Losowość zdarzeń. W genetyce odkrył ją Grzegorz Mendel i sformułował w postaci I i II prawa Mendla. Tłumaczą one niezależne dziedziczenie wariantów genów pochodzących od matki i ojca poprzez kolejne pokolenia. Ta losowość realizuje się za sprawą gamet, czyli dojrzałych komórek płciowych, które uczestniczą w rozmnażaniu płciowym. W jednej porcji nasienia znajduje się średnio nawet kilkaset milionów gamet i nie jesteśmy w stanie przewidzieć, który plemnik wygra wyścig do komórki jajowej i wniknie do niej, inicjując powstanie zygoty, a następnie zarodka, płodu i w końcu noworodka. Liczba komórek jajowych jest z kolei znacznie mniejsza i jest ich kilkaset, ale też nie jesteśmy w stanie przewidzieć, która z nich w danym miesiącu dojrzeje i ulegnie owulacji. Zatem połączenie się dwóch gamet w naturalnych warunkach jest kompletnie nieprzewidywalne. Oczywiście nauka i medycyna bardzo mocno się rozwijają i mamy tzw. rozród wspomagany, gdzie ta losowość jest nieco sterowana w postaci zapłodnienia in vitro czy użycia seksowanego nasienia, ale w przypadku ludzi wiąże się to zawsze z dyskusją bioetyczą, pięknie i niezwykle profesjonalnie przeanalizowaną przez jednego z naszych profesorów – ks. prof. Mariana Machinka w jego książce o etyczno-religijnym sporze na temat statusu ludzkiego zarodka. Polecam – lektura, która formatuje w sposób naukowy nienaukowy zamęt i szum wokół tego tematu. U zwierząt hodowlanych wdrożono z sukcesem, także w Polsce, sztuczną inseminację, seksowanie nasienia, zapłodnienie in vitro, embryo-transfer i predykcję genomową – tutaj raczej etycznych sporów nie ma.

Mówimy o losowości genetycznej na poziomie gamet, ale wiemy, że jest ona jeszcze głębsza.

Zawartość gamet, a więc haploidalny genom (czyli pełny zestaw genów organizmu, których w przypadku człowieka i ssaków jest ok. 20 tys.) także podlega rekonstrukcji losowej zachodzącej w procesie mejozy, czyli podziału redukcyjnego, odbywającego się w gonadach: jądrach i jajnikach. W trakcie mejozy bowiem dochodzi do przypadkowej i nieprzewidywalnej wymiany fragmentów między chromosomami matczynymi i ojcowskimi, czyli tzw. crossing-over. Powoduje to ogromne zwiększenie zróżnicowania genetycznego powstających gamet, gwarantując, że dzieci muszą różnić się od rodziców, choć wiele podobieństw zostaje zachowanych. To co jest zachowane, nawet od dziadków i dalszych przodków, a to co ulega zmianie – jest kompletnie nieprzewidywalne i jednorazowe. Ale mało tego! Jest jeszcze jeden poziom losowości, czyli powstawanie mutacji w obrębie tych 20 tys. genów. Mutacje, czyli zazwyczaj drobne substytucje jednego nukleotydu przez inny, są przeważnie naturalne. Po prostu podczas kopiowania DNA dochodzi do pomyłek, spontanicznych błędów, które są przeważnie naprawiane. Zdarza się jednak, że – i tu znowu w sposób nieprzewidywalny i całkowicie losowy – te błędy wymkną się systemom korekty DNA. Jest ich wprawdzie niedużo, ale to one są, jak się dzisiaj uważa, jednym z trzech filarów ewolucji gatunków. Na przykład w wyniku ewolucji u bydła doszło do mutacji w genie kodującym beta-kazeinę i z pierwotnego wariantu powstał drugi. Przykładowo był wariant A1 i pojawił się wariant A2 .W ten sposób powstały już 3 populacje osobników o genotypach: A1A1, A1A2 i A2A2. Tym razem mutacja ta okazała się bardzo nieneutralna, chociaż dostrzeżono to dopiero niedawno.

Dlaczego?

Ponieważ cielęta są obecnie karmione mlekiem matki tylko kilka dni. Jednak człowiek kilka tysięcy lat temu wpadł na pomysł, żeby „wykraść” mleko od krów i je spożywać jako jeden z najbardziej idealnych produktów odżywczych. Dopiero 35 lat temu zauważono różnice między wariantem A1 i A2. Na ten temat we współpracy z dr hab. Anną Cieślińską, prof. UWM (moją byłą doktorantką) oraz prof. Elżbietą Kostyrą przygotowaliśmy 17 prac naukowych – niektóre bardzo często są cytowane na świecie – oraz wiele artykułów popularnonaukowych, a także filmów edukacyjnych na YouTube (można ich szukać pod hasłem Mleko A2). Ciekawostką jest to, że obecnie w sprzedaży jest już mleko w wariancie A2A2.

Co to za produkt i czym się różni od pozostałych?

Głównym białkiem mleka jest kazeina. Mleko A2 zawiera wyłącznie beta-kazeinę w wariancie A2, w przeciwieństwie do zwykłego mleka, które zawiera zarówno A1, jak i A2. Australijscy i nowozelandzcy naukowcy udowodnili, że wariant A1 podczas trawienia tworzy peptyd zwany beta-kazmorfiną-7, który może być „trudniej” trawiony przez organizm człowieka. W kilku eksperymentach własnych potwierdziliśmy te obserwacje, a nawet dodaliśmy nowe szczegóły, jak na przykład to, że wariant A1 dominuje nad A2. Z kolei wariant A2 nie powoduje powstawania beta-kazomorfiny-7. Dodatkowo, według badań różnych uczonych z całego świata, peptyd ten przechodzi do krwioobiegu i łączy się z odpowiednimi receptorami na różnych tkankach – nerwowych, kostnych, nabłonkowych, i innych. To połączenie z receptorami negatywnie oddziałuje na ludzki organizm.

Zatem slogan „pij mleko – będziesz wielki!” lub „mleko – to samo zdrowie!”, w tym przypadku jest nieprawdziwe.

Jeśli mówimy o mleku tylko z wariantem A1 – to niestety tak. Oczywiście efekt wariantu A1 nie jest toksyczny, jest raczej niepożądany, niekorzystny. Pamiętajmy, że beta-kazeina jest tylko jednym z sześciu białek mleka i nie zarządza całą biosyntezą mleka. Badania trwają, bardzo liczne, ja nie nadążam z ich analizą. Na razie nikt nie podważył negatywnego efektu wariantu A1. Kolejne dowody raczej wskazują, że on na pewno występuje. Dlatego dąży się do tego, aby spożywać tylko mleko A2A2. W Nowej Zelandii niemal cała populacja krów posiada geneotyp A2A2, a w Australii ponad połowa. We Francji, Włoszech czy Niemczech połowa populacji to krowy A2A2, dużo jest A1A2, a A1A1 stanowi 5–7 proc.

A jak jest w Polsce?

Badaliśmy fluktuacje frekwencji wariantów A1 i A2 u buhajów i krów od kilkunastu lat i nie jest źle. U nas populacja bydła A1A1 wynosiła ok. 10 proc. i cały czas dość szybko spada. To, co nas bardzo ostatnio zastanawiało, to to, który z wariantów podczas ewolucji był pierwszy – A1 czy A2. Zagadnienie to skłoniło nas do przeprowadzenia badań naukowych i odnalezienia odpowiedzi na to pytanie.

Na mleku A2A2, które pojawiło się w sprzedaży, widnieje napis – pierwotne. Czy tak właśnie jest?

Mój emerytowany kolega – dr inż. Jan Śmiełowski, ekolog, który pracował w PAN w Poznaniu, przekazał mi kolekcję próbek od 17 przedstawicieli rodziny Bovidae, czyli tzw. wołowatych, gdzie znalazły się m.in. różne gatunki egzotyczne antylop, sitatunga, elandy i inne. Dr hab. Małgorzata Tokarska z Instytutu Biologii Ssaków w Białowieży dorzuciła nam sporą grupkę żubrów. Z tych wycinków i próbek krwi wyizolowaliśmy DNA. Okazało się, że wariant A2 występuje u starszych gatunków – antylop, kudu, sitatungów, elandów czy bawołów kafryjskich. Ogromny wkład do tych badań wniósł mój naukowy przyjaciel – prof. Tadeusz Malewski z Instytutu Zoologii PAN w Warszawie. Wydobył on z międzynarodowych baz danych sekwencje genu beta-kazeiny od wymarłych bezpośrednich przodków bydła – turów (Bos primigenius). Okazało się, że żyjący także na naszych terenach tur posiadał wariant A2. Co więcej, także żubr ma tylko wariant A2. Można zatem przypuszczać, że wariant A1 pojawił się w momencie powstawania z tura dwóch gatunków bydła – zebu, kojarzących się wizualnie z tzw. świętą krową w Indiach (Bos indicus) oraz europejskiego bydła domowego (Bos taurus), do których należą obecnie użytkowane rasy bydła. Jest ich kilkadziesiąt. Wariant A1 wykryliśmy u prymitywnego bydła Watussi (ma największe rogi o rozpiętości nawet 2 metrów), które jest hodowane w Afryce wschodniej, a także u naszego bydła domowego (np. prymitywnej rasy bydła szarego ukraińskiego) i u wszystkich współczesnych ras bydła – w tym najwięcej u bydła Holstein-Friesian (czarno--białego). Zatem bez wątpienia pierwszy był wariant A2, a A1 pojawił się prawdopodobnie 8–9 tysięcy lat temu. I niestety było go coraz więcej.

Dlaczego powstała ta mutacja?

Ponieważ człowiek cały czas dążył do tego, aby zwiększyć wydajność hodowanych krów i ilość mleka, którą pozyskiwał najpierw na potrzeby własne, a potem już jako odrębną gałąź przemysłu. Oczywiście nie możemy powiedzieć, że ingerencja człowieka spowodowała te mutacje, bo one są przypadkowe, ale w pewien sposób generowanie dużej ilości mleka sprzyjało preferowaniu wariantu A1 poprzez mechanizm sprzężenia genetycznego, gdyż na chromosomie 6 leżą zarówno gen beta-kazeiny, jak i szereg innych genów zaangażowanych w biosyntezę mleka jako takiego.

W tym roku mija 15 lat od wprowadzenia oceny genomowej w Polsce, a pan profesor był w gronie założycieli konsorcjum, które tego dokonało. Jak ważna była i jest ocena genomowa w hodowli bydła?

Już od 2010 r. spółki inseminacyjne korzystały z genomowych ocen buhajów. Nie licząc hodowli koni arabskich, która rządzi się swoimi prawami, to hodowla bydła mlecznego w Polsce jest jedynym przypadkiem, gdzie udało się stworzyć nowoczesną ocenę wartości genetycznej zwierząt. Dzięki temu znaleźliśmy się w światowej czołówce. Nam w hodowli bydła głównie chodzi o to, żeby poprawiać jego cechy z pokolenia na pokolenie. Wobec tego, musimy wyselekcjonować najlepsze rozpłodniki. I potrafimy to zrobić, zagłębiając się w DNA zwierząt. Izolujemy kawałek tkanki pobranej od zwierzęcia i poddajemy genotypowaniu mikromacierzami DNA, czyli jednocześnie badamy 50 tys. genów (a dokładniej – markery genów). Następnie wyniki wysyłamy do statystyków, którzy to przeliczają na bazie populacji referencyjnych, którą wspólnie utworzyliśmy kilkanaście lat temu. Dzięki temu możemy powiedzieć z 80-procentowym prawdopodobieństwem, które zwierzę będzie „lepsze”, a które „gorsze”. To ogromny postęp, ale proszę pomyśleć, co by się stało, gdyby ten proces przenieść na ludzi.

To byłoby jak zabawa w Boga…

Tak, i to pojęcie już przylgnęło do inżynierów genetycznych. Nas to nie dotyczy, ponieważ my wybieramy naturalne warianty i robimy to na zwierzętach hodowlanych. Proszę też zwrócić uwagę na to, że idea hodowli jest cały czas ta sama, tylko my, naukowcy, mamy coraz lepsze i dokładniejsze narzędzia do jej realizacji. Zatem genetyka to pewnego rodzaju loteria i nieprzewidywalność, którą człowiek próbuje okiełznać, aby mieć z tego korzyści. Genetyka jako nauka podstawowa ciągle zaskakuje i inspiruje i w naszym przypadku buduje wewnętrzną satysfakcję… Cieszy mnie bardzo i jestem dumny, że Polska – mimo wojny i okresu komunistycznego – dogania kraje, które pod tym względem przodują. Dla przykładu w latach 1950–1985 wydajność krów w Polsce była cały czas na poziomie 3 tys. litrów rocznie. Po upadku komunizmu, po wejściu na arenę prywatnych hodowców i powstaniu wolnego rynku i handlu, wydajność krów wzrosła do 9,5 tys. litrów rocznie! Jedną z rekordzistek jest krowa, która w trakcie jednej laktacji dała 25 tys. litrów mleka. To fascynujące, jak u niej zadziałał jej specyficzny, unikalny genom, że potrafił „zmusić” wymię do biosyntezy takiej masy mleka – średnio ok. 80 litrów mleka na dzień w przeliczeniu na 305 dni standardowej laktacji.

Rozmawiała Sylwia Zalewska

Prof. Stanisław Kamiński jest kierownikiem Katedry Genetyki Zwierząt na Wydziale Bioinżynierii Zwierząt UWM. Był uczniem prof. Krzysztofa Walawskiego – twórcy „olsztyńskiej szkoły genetycznej”. W latach dziewięćdziesiątych utworzył pierwsze w naukach rolniczych w Polsce laboratorium biologii molekularnej. Wdrażał test na gen kappa-kazeiny – markera przydatności technologicznej mleka do produkcji serów. Do największych osiągnięć naukowca należy wkład w powstanie Polskiego Banku DNA Buhajów oraz programu oceny genomowej bydła MASinBULL. Prof. Stanisław Kamiński i jego zespół (dr Anna Ruść i mgr Elżbieta Wójcik) jako jedyny ośrodek w Polsce od 30 lat wykrywają nosicieli defektów genetycznych (importowanych z zagranicy) u bydła, aby zatrzymać ich rozprzestrzenianie się w polskiej hodowli. Ostatnio wspólnie z dr. Kamilem Oleńskim badają żubry, szukając genetycznego podłoża śmiertelnej choroby samców – nekrotycznego zapalenia napletka.

Tekst ukazał się w listopadowym numerze „Wiadomości Uniwersyteckich", którego tematem przewodnim są gry. Mechanizmy znane z gier towarzyszą nam od pierwszych chwil naszego życia. Już samo tworzenie się DNA to przecież coś, co przypomina loterię. Wspólnie z naukowcami z UWM zapraszamy więc do przyjrzenia się grom z różnych perspektyw, m.in. medialnej, dyplomatycznej czy medycznej.

W listopadowym numerze piszemy też o najważniejszych wydarzeniach z życia uczelni, badaniach i sukcesach naszej społeczności.