Skákající geny a promiskuitní DNA

PETR HENEBERG  |  Věda
060-018.jpg

Výzkum zdánlivě neaktivních částí DNA dokazuje, že změny jsou nejen časté, ale i nezbytné. Jedním z původců mutací jsou záhadné „skákající geny“.

Termínem „skákající geny“ (správněji „transpozony“) bývají označovány úseky DNA, které se mohou přemísťovat na různá místa v rámci genomu dané buňky. Před 25 lety byla za jejich objev udělena Nobelova cena Barbaře McClintock, jedné z nejznámějších žen v historii genetiky a biologie vůbec. V posledních letech přibývá celá řada dosud neznámých funkcí transpozonů – mohou způsobovat poruchy srážlivosti krve, svalovou ochablost, s jejich pomocí lze vnášet do organismů nové geny, u bakterií často stojí za jejich zvyšující se rezistencí k nejrůznějším antibiotikům. Podívejme se proto na proměny naší DNA podrobněji.

Proměnlivý genom

Termínem genom rozumíme veškerou genetickou informaci uloženou v DNA nebo RNA konkrétního organismu, tedy i člověka.Ještě před pár lety se předpokládalo, že genomy živých organismů jsou stabilní struktury, které se dědí v neměnné formě z generace na generaci. Je tomu však jinak, genomy jsou proměnlivé a dynamické, jejich podoba, velikost i uspořádání se v čase mění.

Změny se dějí někdy na úrovni celých chromozomů, jindy jen na úrovni jednotlivých nukleotidů DNA, kterých každá naše buňka obsahuje přibližně 3,2 miliardy. Celé chromozomy nebo jejich části mohou fúzovat, lámat se, jejich části se mohou převracet, zdvojovat nebo dokonce přemísťovat do jiných chromozomů.Dynamika těchto změn je do značné míry omezena tolerancí nás, nositelů, k větším i menším přestavbám.

Složitější organismy – například obratlovci a spolu s nimi i člověk -bývají ke změnám a přestavbám genomů velmi citliví, protože i malá odchylka množství jediného genového produktu, inaktivace genu nebo vznik nových fúzních proteinů může vést k poškození celého organismu neslučitelnému se životem. Chromozomální přestavby jsou například jedním z hlavních důvodů zvýšeného výskytu geneticky podmíněných syndromů u dětí starších matek – kvalita naší DNA se s věkem snižuje a tím rodičky mající děti v pozdějším věku musejí počítat s výrazně zvýšeným rizikem genetického poškození svého potomstva. Malá tolerance k výraznějším změnám a přestavbám genomů vede k tomu, že řada příbuzných druhů živočichů se sobě svou genetickou informací navzájem podobá – například od šimpanzů nás dělí jen o málo víc než procento odlišné genetické informace. Naopak rostliny výraznější problém s přestavbami svých genomů nemají. Jsou vesměs velmi přizpůsobivé, následkem čehož mají mnohonásobně vyšší variabilitu velikosti genomů, počtu chromozomů i uspořádání genů na jednotlivých chromozomech. Variabilita genomů rostlin je obrovská. Genomy některých lilií jsou až tisíckrát větší než genom huseníčku – první rostliny s kompletně osekvencovaným genomem (roku 2000).

Sobecké, nebo nesobecké?

Ještě před pár lety se soudilo, že DNA nekódující jednotlivé bílkoviny je nedůležitá a nenese žádnou důležitou funkci. Dokonce byla vyslovena řada hypotéz o zbytečnosti či dokonce škodlivosti nekódujících sekvencí DNA. Často se o nich mluvilo jako o parazitických nebo dokonce sobeckých sekvencích šířících se genomem na náklady hostitele a snižujících jeho šance na přežití (syntéza DNA pro každou novou buňku je energeticky nesmírně náročným procesem). Nikoho přitom příliš nezaráželo, že nekódujících sekvencí DNA je v genomech rostlin či živočichů naprostá většina, vesměs přes 90 %.

Dnes je již pohled na nekódující sekvence diametrálně odlišný. Jejich výzkum je v plném proudu, a tak se každý rok dozvídáme o nových a nových potenciálních funkcích nekódujících částí našeho genomu. Z nechtěných a opomíjených otloukánků se tak dostávají do popředí současného výzkumu. Podívejme se, co se mezi novými objevy skrývá. Vesměs jsou záležitostí posledních několika let, ale cestu k nim naznačila již před desítkami let Barbara McClintock, legendární americká genetička.

Nesobecké a nepostradatelné!

Velmi nečekaným důsledkem dlouhodobé přítomnosti transpozonů v genomech je jejich role v organismu prospěšných funkcích. Některé z transpozonů se postupem času staly nepostradatelnými.

Klasickým příkladem je telomeráza, kódovaná původně transpozonem, dnes však jeden z nejdůležitějších enzymů lidského těla. Využíváme jej totiž k syntéze koncových částí chromozomů a zabraňujeme tím postupné degradaci chromozomů, ke kterým bez činnosti telomerázy v buňkách vyšších organismů během několika dělení dochází.

Další z enzymů, který byl původně součástí transpozonů, zajišťuje správné fungování našeho imunitního systému. Podobných příkladů existuje dlouhá řada.

…ale jen některé

Většina transpozonů ale výraznější pozitivní účinek nemá. Jejich nebezpečnost spočívá zejména v tom, že se mohou po genomu přemísťovat a integrovat se na rozličná místa, třeba i doprostřed stávajících genů kódujících nějakou důležitou bílkovinu. Za této situace představují pro hostitele značnou zátěž. Zaprvé spotřebovávají hostitelovu energii a stavební prvky pro zmnožování svých genomů. Hostitel je schopen produkovat menší množství potomstva, jehož schopnost přežití je navíc s rostoucím množstvím kopií transpozonů omezená. Zadruhé poškozují hostitelovy geny těžko kontrolovatelným vmezeřováním se. Pokud se transpozon vmezeří do nějakého genu, může způsobit jeho kompletní nefunkčnost, tvorbu poškozené bílkoviny nebo naopak tvorbu nadměrného množství kódovaného proteinu. Někdy je následkem až nádorové bujení. A zatřetí bývají zodpovědné za škodlivé přestavby celých chromozomů. Chromozomální přestavby vedou následně k problémům při rozmnožování. Když DNA mizí…

Podívejme se v souvislosti se stěhující se DNA ještě na jeden zajímavý fenomén. Buňky rostlin i živočichů obsahují množství drobných útvarů – organel, které zodpovídají za nejrůznější dílčí enzymatické reakce v buňce. Pro jednoduchost si je představme jako jakési buněčné orgány. Přinejmenším některé z nich ale nebyly vždy nedílnou součástí buněk. Měly původně podobu symbiotických bakterií či sinic, žijících uvnitř jednotlivých buněk. Postupem času se ony mikroorganismy staly na svých hostitelských buňkách natolik závislými, že už je nedokázaly opustit. Dokonce hostitelské buňce předaly i část své genetické informace. K uzurpování symbiotických mikrobů došlo již před dlouhou dobou. V případě mitochondrií, organel zodpovídajících za energetické hospodaření buňky, se tomu stalo již před přibližně 2,2 miliardy let.Poněkud mladšího data je splynutí chloroplastů s rostlinnými buňkami. Soudí se, že k němu došlo asi před 1,5 miliardy let.

Chloroplasty jsou dnes klíčovou součástí rostlinných buněk. Rostliny jejich prostřednictvím získávají energii ze slunečního záření – dávají jim také typickou zelenou barvu. Velikost organel je dnes o jeden či dva řády menší než u jejich dosud samostatně žijících příbuzných.

Z jejich původních genomů jim navíc zbyl jen zlomek. Například genom sinic, se kterými sdílí společné předky chloroplasty, se skládá přibližně z tří tisíc genů. Samotným chloroplastům z nich zbylo již jen něco mezi padesáti a dvěma sty. Ještě výraznější redukce genomu postihla druhé ze známých endosymbioticky vzniklých organel, mitochondrie. Lidský mitochondriální genom obsahuje dnes pouhých 37 genů, zatímco původně nesly s největší pravděpodobností kolem čtyř tisíc nezávislých genů.

…stává se promiskuitní

Hypotéza o endosymbiotickém původu organel byla vyslovena již roku 1905 – ne, skutečně nejde o překlep. Po celá desetiletí byly v její prospěch shromažďovány nové a nové nepřímé důkazy. Nikdo však nedokázal předvést přenos dědičné informace z organel do jádra hostitelské buňky. V jaderných genomech byla sice nalezena řada fragmentů shodných s plastidovou anebo mitochondriální DNA, nicméně důkaz o přenosu DNA z organel do jádra v reálném čase stále chyběl. Skutečný důkaz jejího přenosu – promiskuity – byl zveřejněn až roku 2003. Popsali jsme si jen několik z mnoha příkladů možných proměn naší genetické informace v reálném čase. Některé mají fatální následky, jiné se naopak vyskytují běžně v životě každého jedince. Nevěřme tradovaným dogmatům – genom se mění a ne vždy to musí být nutně k horšímu.

GENOVÁ OBEZITA

Z enormního zvětšení velikosti genomů u rostlin – někdy též nazývaného „genová obezita“ – jsou podezřívány právě skákající geny zvané transpozony. Podívejme se například na navzájem si do značné míry příbuzné traviny – kukuřici, čirok a rýži. Genom společného předka těchto rostlin, vyskytujícího se přibližně před 50–60 miliony let, se sestával z přibližně 430 milionů párů bazí. Dnešní pěstované odrůdy rýže se od něj příliš neliší, jejich genom obsahuje kolem 200 milionů párů bází. Genom čiroku, často pěstované obiloviny sušších částí Afriky a Blízkého východu, je složen z 800 milionů párů bází. A konečně kukuřice, která ještě před 15– 20 miliony let sdílela s čirokem společného předka, je kódována genomem obsahujícím 2,4 miliard párů bází, mnohonásobně více v porovnání se svými předky. Jen pro představu – kukuřice má pouze několik desítek tisíc bílkoviny kódujících genů, ale odhadem 300 tisíc transpozonů. Řada z transpozonů se vyskytuje v mnoha kopiích, nejpočetnější se v genomu objevují až desettisíckrát. V přírodě bývají všechny zbytné věci rychle eliminovány přirozeným výběrem. Dá se tedy očekávat, že transpozony se budou k něčemu hodit. Nikoho nezaráželo, že nekódujících sekvencí DNA je v genomech rostlin i živočichů vesměs přes 90 %.

GENOVÁ TERAPIE POMOCÍ TRANSPOZONŮ

Do transpozonů může být vložen jakýkoli gen. Pokud následně dojde k přemístění transpozonu, začlení se na nové místo genomu i do něj vložený gen. Řada vědeckých skupin v posledních letech experimentálně testuje možnost využití této skutečnosti pro nový model genové terapie. Tradiční genová terapie využívající k vnášení genů nejrůznějších modifi kovaných virů totiž často selhává. Jedny z nich, adenoviry, se neintegrují do genomu a terapii je kvůli tomu nutno po několika měsících opakovat. Retroviry se pro změnu umějí integrovat jen do dělících se buněk -jenže buňky valné části tkání se v dospělosti již zrovna intenzivně nedělí. Neméně významným rizikem je možnost, že s malou – ale s nenulovou -pravděpodobností používaný modifi kovaný virus zmutuje a začne se sám svéhlavě přenášet do nových buněk nebo dokonce na jiné jedince. Nevirové systémy – transpozony – skýtají naději na genovou terapii, která nebude mít tolik vedlejších efektů jako terapie používající modifi kované viry. První úspěšné pokusy již byly učiněny například při léčbě hemofi lie u experimentálních myší. Na klinické využití u člověka si ještě pár let počkáme, ale dosavadní výsledky vypadají velmi nadějně.

BARBARA MCCLINTOCK (1902–1992)

Nositelka Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu z roku 1983 je známa jako objevitelka existence transpozonů. Věnovala se jim již překvapivě brzy, své klíčové práce popisující jejich existenci na modelu kukuřičných zrn publikovala již ve 40. letech minulého století. Zrna kukuřice nemusejí nutně být jen žlutá, tak jak je vesměs známe z našich obchodů. Na americkém kontinentě roste řada odrůd kukuřice s různobarevnými zrny; dokonce i každý jednotlivý klas může nést zrna různé barvy. Barbara McClintock zjistila, že

barva zrn se dědí odlišným poměrem, než by člověk očekával jen na základě standardních zákonů dědičnosti proslovených zakladatelem genetiky -opatem brněnského augustiniánského kláštera -Gregorem Johannem Mendelem. Za odlišnosti v dědičnosti barvy kukuřičných zrn mohou právě transpozony. Objevu však širší vědeckou komunitou nebyl po několik desítek let přikládán větší význam – až do pozdějšího zjištění,že transpozony jsou přítomny i v bakteriích a hrají klíčovou roli v přenosu jejich rezistence na antibiotika.Poprvé byla hypotéza o endosymbiotickém původu organel vyslovena již roku 1905.

DŮKAZ EXISTENCE PROMISKUITNÍ DNA

Sandra Stegemann z Westfálské univerzity v německém Münsteru se zabývala se svými kolegy transferem genetického materiálu mezi organelami a jádrem u tabáku. Semenáčkům tabáku vnesli geny pro odolnost vůči dvěma různým antibiotikům. Oba geny vložili do chloroplastů. Jeden z genů mohl fungovat již v chloroplastech, zatímco druhý ke své správné činnosti potřeboval ještě část jaderné DNA. Nejprve byly pomocí prvního z antibiotik selektovány pouze ty rostlinky tabáku, které obsahovaly jen jeden typ chloroplastů – s vnesenými geny. V druhém klíčovém kroku pak vědci selektovali pouze ty rostlinky, které byly odolné i vůči druhému z antibiotik. Odolnost mohly získat jedině tím, že by se uměle vložený gen z chloroplastu přesunul do jádra. Překvapivě určitá část rostlinek přežila i selekci druhým z antibiotik. Přesun vložené DNA z chloroplastu do jádra potvrdili vědci následně i za pomoci sekvencování a stanovili frekvenci takovýchto událostí na nejméně 1 : 5 000 000. Skutečná frekvence přenosu DNA z chloroplastů do jádra bude patrně výrazně vyšší, neboť v pokusu byl sledován jen poměrně malý úsek DNA chloroplastového genomu.

Nejčtenější