Huseníček jako modelová rostlina

Od roku 1990 se v mnoha zemích intenzivně pracuje na výzkumu genomu huseníčku. Projekt se oficiálně jmenuje Multinational Coordinated Arabidopsis thaliana Genome Research Project. Zahrnuje jednak sekvencování celého genomu, jednak studium funkce všech genů a jejich hlavních interakcí. Jeho cílem je porozumět na molekulární úrovni principům uspořádání a funkce rostlinného genomu, růstu, vývoji, fyziologii a biochemii této modelové rostliny a po zobecnění i ostatních vyšších rostlin.

Sekvencování genomu A. thaliana by mělo být dokončeno r. 2004. Roku 1996 bylo založeno konsorcium AGI (Arabidopsis Genome Initiative), sdružující laboratoře z Evropy, USA a Japonska, které jsou společnými silami schopny sekvencovat desítky milionů párů bází ročně. K tomu, aby byl metodou náhodných úseků zachycen celý genom, bude potřeba asi sedminásobná redundance v sekvencování. Zatím bylo sekvencováno přibližně 60 milionů párů bází DNA, tedy přibližně polovina genomu.

Druhým důležitým aspektem je studium funkce všech genů. Běžně se vychází z mutací získaných chemickou a radiační cestou, ale v poslední době je nejvýznamnější transpozonová mutageneze a mutageneze prostřednictvím plazmidu T-DNA Ti-bakterie Agrobacterium tumefaciens. Tento přírodní systém vnášení genů z bakterií do rostlin je základem techniky vytváření většiny transgenních rostlin a lze jej využít také k vytvoření mutací nového typu. T-DNA vyvolává svým začleněním do genů rostlinného genomu mutace a zároveň slouží jako značkovací úseky ke klonování mutovaných genů. K tomu, aby bylo s 95% pravděpodobností postiženo všech 20 000 předpokládaných genů huseníčku, je třeba vybudit asi 100 000 nezávislých inzercí. Brzo bude i tento úkol splněn co se týče počtu inzercí, ale ne co se týče počtu mapovaných a sekvencovaných genů. Všechny získané linie s inzercemi T-DNA, i ty, u nichž mutace běžnými metodami zatím zjištěny nebyly, se uchovávají jako cenný zdroj informací pro další fázi studia.

Ke klonování genů lze využít i mutace získané chemickou a radiační mutagenezí, postup je však zdlouhavější. Předpokládá velmi podrobné chromozomální mapy. Využívají se při tom knihovny umělých chromozomů kvasinek (YAC) nebo bakterií (BAC).

Již byly dokončeny fyzikální mapy (založené na délce DNA jednotlivých chromozomů a jejich fragmentů po štěpení restrikčními endonukleázami) všech pěti chromozomů. Potvrzuje se, že hustota genů je asi 1 gen na 5 kilobází DNA. Zjištěno a analyzováno bylo přes 400 genů. Asi 90 % je zcela nových a výskyt řady z nich se u rostlin nepředpokládal. U organizmu s tak malým genomem je značně překvapivý výskyt mnoha genů ve formě multigenových rodin. Obvykle však geny nejsou uspořádány ve funkčně příbuzných skupinách, často se skládají z neobvykle malých exonů (překládaných úseků) a malých intronů (nepřekládaných úseků, které jsou eliminovány na úrovni RNA). Vazbová mapa (mapa pořadí genů a molekulárních znaků) huseníčku v současné době zahrnuje více než 500 lokalizovaných genů a téměř 1000 sond DNA. Kromě toho je k dispozici asi 30 000 krátkých sekvencí bází komplementárních k nalezeným mRNA (EST). Takto je podchycena mRNA asi 10 000 genů, z nichž některé lze určit pomocí několika EST. To jsou většinou geny, jejichž transkripce nastane jen výjimečně – ve specializovaných buňkách nebo pouze za zvláštních podmínek. Značná část z nich jsou pravděpodobně regulační geny a předpokládá se, že je bude možno detegovat inzerční mutagenezí.

Součástí klonování genu je důkaz totožnosti klonovaného genu tím, že se zpětně vnese do genomu huseníčku, v němž byl původní gen zbaven aktivity. Takto vnesený transgen obnoví ztracenou funkci.

Důležitou součástí studia genomu huseníčku je srovnávací mapování. Porovnává se struktura celého genomu i jednotlivých genů s genomy a geny příbuzných i vzdálených rostlinných druhů. Je tu velká podobnost například s druhy rodu Brassica. Ukazuje se, že pořadí genů zůstává v krátkých blocích zachováno i u obilovin.

Předpokládá se, že po dokončení hlavní etapy studia genomu huseníčku budou geny této modelové rostliny (buď v původní formě, nebo různým způsobem upravené) používány ke zlepšení genomu kulturních rostlin. Krom toho tato modelová rostlina poslouží jako vzorová a její geny budou využívány jako sondy k vyhledávání homologních genů v jiných rostlinných druzích. Z teoretického hlediska bude možno studovat vztahy v signalizačních drahách regulace genetické informace na novém základě, vyplývajícím z jednoznačné znalosti pořadí bází DNA v genech a pořadí aminokyselin v proteinech.

Studium genomu A. thaliana přineslo zatím většinou teoretické poznatky zásadního významu. Praktické uplatnění transgenů A. thaliana, i když je stále v počátcích, již rovněž přineslo první nadějné výsledky. Stále častěji kupříkladu slouží jako základní zdroj genů pro zlepšování genomu (a potažmo tedy i vlastností) kulturních rostlin. Vybrané příklady jsou uvedeny v rámečcích vložených do textu.