Srpen 2007

Radikálně nová autorita

Objev dosud netušených funkcí ribonukleové kyseliny může změnit teorii evoluce. Biologům začíná svítat, že se zřejmě spletli. Ne úplně, ale i tak dost na to, aby se měli za co stydět. Celé půlstoletí byl těžištěm jejich výzkumu vztah mezi dvěma druhy chemických látek. Ve středu všeho dění byly bílkoviny ve formě enzymů, hormonů atd. Instrukce pro tvorbu bílkovin obsahovala DNA ve formě genů. Nechyběly samozřejmě ani další molekuly. Cukry a tuky v hojném množství. Zastoupeny byly také různé vitaminy a minerály. A pak zde byla ona podivná chemická látka zvaná RNA, která vypadala tak trochu jako DNA, ale nebyla to DNA. Poslušně přenášela genetické informace z jaderné DNA do těch míst v buňce, kde se tvoří bílkoviny, sháněla dohromady aminokyselinové jednotky, ze kterých se tyto bílkoviny skládají, a byla objevena i v samotných továrnách na bílkoviny.

Ke všem těmto poznatkům vědci dospěli již před několika desetiletími. Od té doby byla RNA víceméně zanedbávána jen jako skromná doručovatelka informací a přidavačka stavebního materiálu. Tato role RNA byla pro biology natolik uspokojivá, že jen málo z nich se namáhalo klást si otázku, zda je to doopravdy vše. Dnes jim tato otázka nedá spát. Najednou se totiž zdá, že se buňky doslova hemží molekulami RNA, které si v nich dělají bůhvíco.

Změna paradigmatu

Různorodost těchto molekul je přitom ohromující. Existuje scnRNA, snRNA a snoRNA. A také rasiRNA, tasiRNA a natsiRNA. Molekuly takzvané piRNA, která byla objevena loni v létě, se v hojném počtu podílejí na vývoji pohlavních buněk. Bez nich by ani jeden savec či ryba mužského pohlaví a ani jedna moucha obou pohlaví nebyli plodní.

Další RNA, nazývaná XIST, má moc zablokovat celý chromozom X. Činí tak u samic, které mají na rozdíl od samců dva chromozomy X a získaly by jinak nezdravou dvojí dávku mnoha bílkovin. Existuje dokonce RNA, která se aktivuje v těhotenství, tzv. „pregnancy-induced non-coding RNA“, označovaná roztomilou zkratkou PINC.

Nové druhy RNA se z laboratoří řinou takovou rychlostí, že byla vytvořena speciální skupina s názvem RNA Ontology Consortium, které bylo přislíbeno půl milionu dolarů za to, že prořeže a bude zvelebovat bující vegetaci zkratek končících písmeny RNA.

Ve světle těchto skutečností se musí změnit chápání toho, co je to gen. Geny byly kdysi pokládány téměř výhradně za úložiště informací o tom, jak se tvoří bílkoviny. Dnes v nich musíme vidět to, čím doopravdy jsou: továrny na RNA. Geny pro bílkoviny jsou možná dokonce v menšině. Počet různých mikroribonukleových kyselin, označovaných zkratkou microRNA, které patří mezi nově objevenými druhy RNA k nejběžnějším, může podle slov vedoucího specialisty na mapování genomu u firmy IBM Isidora Rigoutsose u člověka dosahovat až 37 000. Naproti tomu genů kódujících bílkoviny je v lidském těle jen asi 21 000.

Filozofové vědy takovéto věci milují. Nazývají je změnou paradigmatu. Podobné změny jsou pro vědce, kteří je zažívají, matoucí a ta, o které hovoříme, není výjimkou. Až ale bude po všem, budou mít lidé pravděpodobně zcela jiný názor na to, jak se buňky řídí, díky čemu se živé organismy stávají složitějšími, co způsobuje určitá záhadná onemocnění, a dokonce i na to, jak funguje proces evoluce. Jako bonus budou navíc otevřeny cesty k vývoji nových léků.

Množství nerozhoduje

Ne každý dává za pravdu Rigoutsosovi v tom, kolik mikroribonukleových kyselin v lidském těle je. Výsledky projektu s názvem Encyclopaedia of DNA Elements (ENCODE), které byly minulý týden (od 11. 06. 2007 – pozn. red. CS-magazínu) zveřejněny v časopisu Nature, však ukazují, že je na správné cestě. V rámci projektu bylo podrobně prozkoumáno jedno procento lidského genomu. Když byl projekt ENCODE před čtyřmi lety zahájen, panovalo obecné přesvědčení, že pouze několik procent z tohoto jednoho procenta lidského genomu, odpovídajícího především genům kódujícím bílkoviny, se opravdu přepisuje na RNA. Ve skutečnosti je to většina.

Co to znamená, je však nejasné. To ukazuje i fakt, že ačkoli toto konsorcium bylo ochotno identifikovat pouze osm míst, kde je výsledkem přepisu určitě molekula RNA, která má jiný úkol než jen pasivně přepravovat kód pro bílkovinu, našli ještě 268 míst, kde je tento proces pravděpodobný, a dalších několik tisíc, kde by taková RNA podle všech zjištěných dat také mohla vznikat, zatímco genů kódujících bílkoviny bylo ve zkoumaném úseku pouze 487.

Výsledky dalších výzkumů ukazují na to, že mikroribonukleové kyseliny řídí činnost nejméně třetiny lidských genů kódujících bílkoviny. To znamená, že je jen velmi málo buněčných procesů, které probíhají bez jejich účasti. Jen v lidských embryonálních kmenových buňkách se tvoří například přibližně dvacet mikroribonukleových kyselin. Ty by se mohly stát klíčem k pochopení toho, jak tyto buňky setrvávají ve stavu, z něhož se mohou vyvinout v jakýkoliv typ buněk. Právě díky této vlastnosti si lékařská věda od embryonálních kmenových buněk tolik slibuje.

Proč jsme tak složití

Existence mikroribonukleových kyselin by také mohla pomoci vysvětlit, proč jsou někteří tvorové složitější než druzí. Než byly tyto molekuly objeveny, byl zde určitý paradox. Biologové věděli, že v DNA jsou uložena data, která jsou později převáděna na živé organismy, a že složitost vývoje musí vyžadovat velké množství informací, a proto přirozeně očekávali, že čím složitěji je organismus utvořen, tím více bude mít v buňkách genů. Byli proto nemálo překvapeni, když zjistili, že maličký červ Caenorhabditis elegant, který nemá ani pořádný mozek, ale přesto je s velkou oblibou studován genetiky, má přibližně 20 000 genů – jen o něco méně než člověk.

Zdá se dokonce, že toto číslo platí pro zvířata obecně. Octomilka Drosophila, další oblíbený předmět zkoumání genetiků, má podobný počet genů. V případě zmíněných genů se však samozřejmě jedná o geny kódující bílkoviny. Přidáme-li k nim geny, jejichž RNA plní jiné úkoly, rovnováha se naruší.

Naruší se pak ještě více, podíváme-li se blíže na to, co přesně tyto molekuly RNA zajišťují. Samostatné mikroribonukleové kyseliny například často řídí hladiny stovek různých bílkovin. Fungují jako mocné nitky ovládající masy bílkovinných loutek. A aby toho nebylo málo, některé typy regulátorové RNA přepisují jiné druhy RNA. Účinek zvláštních genů pro oba tyto druhy molekul RNA je proto spíše multiplikační než aditivní.

Vyvstává tedy před námi obraz, kde proti sobě stojí na jedné straně jednoduché organismy s pevným programem, které si většinou vystačí s tím, že používají RNA jako doručovatelku a přidavačku, na druhé straně složité organismy s „proměnlivým programem“, které využívají RNA v řídících funkcích. Pokud jde o složitost, není důležité to, kolik genů kódujících bílkoviny organismus má, ale to, jak jsou řízeny.

Co vy na to, pane doktore?

Díky významu, který RNA získala, mají vědci také nový zdroj vysvětlení nemocí. Malé molekuly RNA jsou spojovány s mnoha typy rakoviny, genetickými onemocněními centrální nervové soustavy, a dokonce infekcemi. Někteří vědci se například domnívají, že molekuly RNA pomáhají bílkovině, která vyvolává Creutzfeldt-Jakobovu nemoc, získávat do svých řad neinfekční bílkoviny.Nový svět RNA je také zdrojem nápadů, jak by se mohly léčit nemoci. V této branži je nejlepší začít jednoduše. Z tohoto důvodu se také hlavní honba za novými léky soustředí kolem technologie zvané RNA interference neboli RNAi. Ta, alespoň teoreticky, umožňuje snížit tvorbu jakékoli jedné bílkoviny na velmi nízkou úroveň. Tím se liší od mikroribonukleových kyselin, které řídí velké množství bílkovin současně.

Hypotetický lék na bázi RNAi by se mohl stát například nejúčinnějším analgetikem, které by ovlivňovalo činnost SCN9A, genu, který – jak bylo nedávno zjištěno – zodpovídá za to, že pákistánský pouliční umělec, který si propichuje nožem paže a prochází se po žhavém uhlí, necítí žádnou bolest.

Technologie RNAi také dokázala zajistit, aby přejídající se myši zůstaly hubené a jejich život se prodloužil o pětinu. To vše díky utlumení genu pro inzulinový receptor v tukových buňkách zvířat. Díky tomu se snížila tendence buněk ukládat každou kalorii. Při použití stejné technologie pak bylo dokonce vyvinuto jedlé bavlníkové semeno (pro každého, kdo by to chtěl zkusit) tak, že z něj byla odstraněna jedovatá látka gossypol. V neposlední řadě se tato technologie může pochlubit tím, že umožnila vyprodukovat nealergenní sójové boby utlumením genu kódujícího bílkovinu, která vyvolává alergickou reakci.

Zároveň se jedná o technologii, kterou lze použít nepřímo. Michael White z Texaské univerzity a jeho kolegové nedávno použili RNAi k léčbě rakoviny plic, a to nikoli přímo, ale tak, že nádorové buňky, které nereagují na taxol, široce používaný lék proti rakovině, změnili v buňky, které jsou na něj citlivé. Toho docílili tak, že umlčeli geny potlačující taxol, které byly v těchto rakovinných buňkách obvykle aktivní.

Léky na bázi RNAi fungují tak, že napadají jiné druhy RNA, které náleží do tříd této molekuly objevených již před několika desetiletími. K nim patří molekuly mediátorové RNA, které zásobují buněčné továrny na bílkoviny informacemi z DNA. Samotným lékem jsou krátké úseky RNA tvořené vlákny o délce přibližně jedenadvaceti genetických písmen. Zvláštností těchto molekul je to, že jsou tvořeny dvěma rovnoběžnými vlákny, a nikoli pouze jedním.

Můžou za evoluci viry?

Jedním ze znaků, kterými se DNA liší od RNA, je to, že DNA má podobu dvoušroubovice. Molekuly RNA jsou naproti tomu obvykle tvořeny pouze jedním řetězcem. Když do buňky pronikne dvouvláknová molekula RNAi, je zachycena speciální bílkovinou, tzv. argonautem, která ji uprostřed rozepne jako zip. Jeden řetězec pak rozsekne na dva kusy a to, co z něj zbyde, zahodí. Druhý řetězec pak funguje jako argonautův průvodce. Může se spárovat s molekulou mediátorové RNA, tedy alespoň v případě, že tato molekula obsahuje úsek o délce jednadvaceti písmen, který je komplementární s molekulou RNAi.

Pokud k takovému spárování molekul RNA dojde, rozseká argonaut mediátorovou RNA na kusy jako samuraj rozmachující se mečem, stejně jako to předtím udělal s druhou polovinou původní molekuly RNAi. Gen, jehož informaci tato molekula nesla, je tak umlčen. Tímto způsobem léky na bázi RNAi zastavují tvorbu patologických bílkovin přímo u zdroje. Uzavře kohoutek tam, kde se většina léků snaží jen vytřít louži pod prasklou trubkou. Ničení molekul mediátorové RNA je přitom specifické, protože jednadvacet písmen kódu téměř vždy stačí pro identifikaci instrukcí pro určitý typ bílkoviny.

Nejpravděpodobnějším vysvětlením existence RNAi je to, že se vyvinula jako obrana proti virům. Dvouvláknová RNA je v přírodě vzácná, je však často tvořena viry při jejich reprodukci. To znamená, že organismy, které získaly schopnost dvouvláknové molekuly RNA rozeznat a zničit, mají konkurenční výhodu oproti těm, které tuto schopnost nemají.

To je jen jeden příklad toho, jakou roli hraje RNA v evoluci. Existuje ale i řada dalších. Například evoluce mikroribonukleových kyselin jasně ukazuje, jak důležité místo tyto látky zaujímají v otázce původu složitých organismů. Zdá se, že jejich počet se závratně zvýšil, když se vyvinuli suchozemské rostliny a obratlovci. Výzkum je ale teprve v začátcích. Dave Bartel z Massachusettského technologického ústavu zkoumá dlouhé seznamy malých molekul RNA v lišejnících, rostlinách, červech, mouchách a myších v naději, že přijde na to, kdy se různé skupiny mikroribonukleových kyselin objevily a které geny řídí.

Díky za velký mozek

Daveu Bartelovi se již podařilo objevit geny mikroribonukleové kyseliny roztroušené mezi sadami genů kódujících bílkoviny. Tyto shluky se nazývají Hox. Shluky Hox obsahují základní instrukce o stavbě těla a geny, které je tvoří, jsou řazeny v pořadí, ve kterém ovlivňují stavbu organismu svého majitele v průběhu vývoje. Krátce řečeno, gen Hox na jednom konci shluku obsahuje informaci: „toto embryo bude mít hlavu“, zatímco gen na druhém konci říká: „...a taky ocas“. Úkolem roztroušených mikroribonukleových kyselin je tyto příkazy z vyšších míst řídit.

Ronald Plasterk z Univerzity v Utrechtu v Nizozemsku se domnívá, že mikroribonukleové kyseliny hrají důležitou roli v evoluci lidského mozku. V prosincovém vydání časopisu Nature Genetics provedl srovnání mikroribonukleových kyselin kódovaných genomem šimpanze a člověka. Přibližně 8 % mikroribonukleových kyselin, které se projevují v lidském mozku, je pro člověka jedinečných. To je daleko více, než by se mohlo na první pohled zdát a než napovídá vzdálenost šimpanze a člověka v evoluci.

Z těchto poznatků lze vyvozovat, že evoluce je založena právě tak na změnách genů pro malé molekuly RNA, jako na změnách genů pro bílkoviny. Pro složité organismy to možná platí v ještě větší míře. A někteří badatelé jdou ještě dále. Prohlašují, že RNA sama by mohla poskytnout alternativní živnou půdu pro evoluci. To proto, že RNA někdy přenáší genetické informace z generace na generaci nezávisle na DNA tak, že se usadí v pohlavních buňkách. Uvedeme-li to do souvislosti se skutečností, že projevy RNA jsou za určitých okolností řízeny faktory životního prostředí, rozvíříme tím některé velmi stojaté vody.

Je to převratné, milý Watsone

To, co se tu předkládá, je dědění vlastností získaných jedincem během života spíše než jako výsledek náhodných mutací. Tuto myšlenku poprvé vyslovil Jean-Baptiste Lamarck ještě předtím, než pole ovládla Darwinova teorie o přirozeném výběru druhů. Ani Darwin však neodmítal myšlenku, že by lamarckovská adaptace mohla hrát určitou roli. Touto teorií se věda vážně zabývala až do 20. století, kdy se ji nepodařilo prokázat genetickými experimenty.

Určitý prostor pro návrat k Lamarckově myšlence se otevřel díky objevu, že malé RNA jsou aktivní v jádru buňky i v jejím vnějším dosahu. Greg Hannon z Cold Spring Harbor Laboratory ve státě New York se domnívá, že některé molekuly RNA pomáhají nasměrovat velmi jemné chemické změny do DNA. Kvůli těmto změnám je obtížné, aby mechanismus, kterým buňka čte kód, rozluštil postiženou oblast genomu. Mění tak faktické složení genomu podobným způsobem jako mutace samotné DNA (jsou to právě takové mutace, které jsou surovinou přirozeného výběru). Někdy stimulují skutečné chemické změny v DNA – to jest opravdové mutace.

Ani toto zjištění, byť zajímavé, nevede k obrození lamarckismu, protože se nejedná nezbytně o změny přínosné. Greg Hannon však věří, že dotyčné změny se někdy dějí v odpovědi na podněty z okolního prostředí. Je tu jistá pravděpodobnost, že se stále ještě jedná o náhodný proces a že potomstvo, které se narodí se změnami vyvolanými prostředím, z nich nebude mít o nic větší přínos, než kdyby byly vyvolány chemicky anebo dávkou záření. Přesto nelze úplně vyloučit možnost, že Hannon na něco přišel. Představa, že vynořující se operační systém RNA může jaksi přepsat pevný disk DNA předurčeným způsobem, není zcela absurdní.

To však nemůže vést ke skutečné novosti. Ta musí nadále vyplývat z přirozeného výběru. Může to však optimalizovat příští generaci využitím zkušeností generace současné, i když optimalizační software je výsledkem darwinismu. A kdyby se ukázalo, že se jedná o běžnou záležitost, bude to větší změna paradigmatu než cokoliv, co bylo před ní.

(Respekt, www.respekt.cz)