Mechanizmy biologických hodin hmyzu

Co vlastně objevili Ivo Šauman se Stevem Reppertem a spolupracovníky, že to tak vzrušilo vědecký biologický svět? Abychom si to vysvětlili, musíme se trochu vrátit do minulosti. Denní, zhruba 24hodinové (tj. cirkadiánní) rytmy se u hmyzu zjistily již dříve. Nejvíce se zkoumaly u octomilky obecné (Drosophila melanogaster), která vykazuje význačný rytmus v denní aktivitě, a populace mušek též rytmus v líhnutí z kukel. Mušky se totiž líhnou pouze v časných ranních hodinách. Za tyto rytmy jsou odpovědné biologické hodiny v mozku mušky a gen „per“ (ze slova perioda). Není bez zajímavosti, že existenci tohoto genu v sedmdesátých letech popsali dva Američané, Konopka a Benzer. V osobě Konopkově máme dalšího známého cirkadiánního vědce českého původu.

Mechanizmus činnosti biologických hodin u drozofily se odkrýval postupně (viz Vesmír 73, 425, 1994/8). Gen per byl vyklonován. Zjistilo se, že zpravodajská ribonukleová kyselina přepisující se na tomto genu, per mRNA, vykazuje význačný cirkadiánní rytmus v mozku mušky s maximálními hladinami v noci. Co více: bílkovina PER, vznikající překladem informace z per mRNA, též v mozku mušky cykluje, s maximem o zhruba 6 hodin zpožděným proti maximu v mRNA. Na základě těchto objevů byla navržena zpětnovazebná smyčka pro činnost biologických hodin drozofily: na genu per v jádře buňky biologických hodin se přepisuje per mRNA – per mRNA vycestovává do cytoplazmy a tvoří se bílkovina PER – PER po modifikaci vstupuje do jádra a dosud neznámým způsobem brání přepisu (transkripci) svého vlastního genu – množství per mRNA a v důsledku toho i bílkoviny PER klesá – přepis genu per se obnovuje atd. V posledních letech se ukázalo, že takhle jednoduchá zpětnovazební smyčka není. Do hry vstoupil další gen, s romantickým názvem timeless (zkráceně tim), tj. bez času, a jeho bílkovina TIM. Ukazuje se, že tim mRNA a protein TIM též vykazují cirkadiánní rytmy, s maximem a minimem ve stejnou dobu jako per a PER. Po nahromadění PER a TIM v cytoplazmě se obě bílkoviny spojí v dimer a v obkročáku spolu vtančí do jádra, kde zpětně ovlivňují ještě neurčeným mechanizmem přepis svých genů per a tim. Mechanizmus se stal složitějším, ale na obecně přijímané představě cirkadiánních oscilací v podobě zpětnovazebných smyček ovlivňujících transkripci genů se nic nezměnilo.

Jednotné nazírání se počalo otřásat až v okamžiku, kdy po přípravných studiích na scénu vstoupili I. Šauman se S. Reppertem a spolupracovníky. Tito badatelé si k svému zkoumání nevybrali druh dvoukřídlého hmyzu, jako je octomilka obecná, ale druh motýlů, jmenovitě martináče Antheraea pernyi, v angličtině nazývaného obří bourec morušový; motýli a dvoukřídlý hmyz se začali lišit zhruba před 240 miliony let. Proč právě martináč sliboval být dobrým modelem? Má velikou hlavu a veliké nervové buňky v hlavě, neurony, které tvoří biologické hodiny a jsou dobře přístupné zkoumání. Zpočátku nic nenasvědčovalo tomu, že by se při studiu martináče mohlo objevit něco, co by vedlo k zvratu v univerzálním chápání biologických hodin jako sytému zpětnovazených smyček. Martináč, obdobně jako octomilka, má gen per, který je ze 40 % podobný genu mušky. Když se gen per martináče vpraví do zárodečných buněk mušek, které mají ve svém genu per poruchu a jsou tudíž arytmické, mušky počnou vykazovat opět denní rytmy v aktivitě i v líhnutí. I obdoba genu tim a bílkoviny TIM existuje u martináče. V osmi velkých neuronech v mozku, které tvoří biologické hodiny martináče, se vyskytují PER i TIM. Stavební kameny časového systému u obou druhů hmyzu jsou tedy obdobné.

Překvapivě to, co není podobné, je mechanizmus činnosti. Předně, denní rytmus v per mRNA v neuronech biologických hodin martináče vykazuje maximum ve stejné době jako rytmus v bílkovině PER. Dále, v těchto neuronech se nikdy bílkovina PER ani TIM nevyskytují v jádru buňky, vždy jen v cytoplazmě, vyplňují tedy pouze mezikruží připomínající vanilkový věneček s prázdným prostředkem. Nevyskytuje-li se ale protein PER v jádře, jak by mohl ovlivňovat přepis svého vlastního  genu pomocí zpětné smyčky? Zdá se, že jiný mechanizmus musí být odpovědný za cirkadiánní rytmy v per mRNA a proteinu PER v biologických hodinách martináče ve srovnání s hodinami octomilky obecné. K tomuto jinému mechanizmu by mohl vést objev dalšího rytmu v neuronech biologických hodin martináče – objev denního rytmu v komplementární (antisense) per mRNA. Tato „antisense“ RNA, která vykazuje maximum hladiny v době, kdy kódující (sense) per mRNA a bílkovina PER překládající se na per mRNA jsou v minimu, by mohla sama snižovat kódující per mRNA a následovně i protein PER. Zdá se, že do budoucna bude zapotřebí opustit dogma jediného vysvětlujícího mechanizmu zhruba 24hodinové rytmicity a smířit se s tím, že rozmarná příroda si těchto mechanizmů vymyslela více.

U martináče se netvoří per mRNA a bílkovina PER cyklicky pouze ve výše zmíněných osmi neuronech mozku, ale též v očích. Kupodivu v očích existuje stejná zpětnovazebná smyčka jako v mozku drozofily: tvorba per mRNA o 4 – 6 hodin předbíhá tvorbu bílkoviny PER, a PER a TIM cyklicky vstupují do jádra. Je tedy možné, že u jednoho  živočišného  druhu, martináče, existují dva, a možná i více mechanizmů pro generování zhruba 24hodinové rytmicity. U martináče byly rytmy v bílkovině PER nalezeny též ve střevě embryí, u octomilky navíc ve vaječnících i varlatech. Je zřejmé, že budeme muset brát v úvahu ne jedny biologické hodiny, ale celý časový systém živých organizmů, s podobnými či rozdílnými stavebními kameny a s podobnými či rozdílnými mechanizmy činnosti. V úplně poslední době nám svítá naděje, že se trochu více dozvíme i o časovém systému savců: v květnovém čísle časopisu Cell referuje J. Takahashi se spolupracovníky o vyklonování genu „clock“ (hodiny), odpovědného za cirkadiánní rytmicitu myši domácí.

Vraťme se ještě k Ceně akademie věd ČR udělené Ivo Šaumanovi. V dopisu doporučujícím tuto cenu napsal profesor Harvardovy lékařské fakulty S. Reppert: „Dr. Šauman je předurčen, aby se stal hvězdou ve svém oboru. Doufám pouze, že jeho domovina mu poskytne takovou podporu, jakou si zasluhuje a jakou potřebuje. Mohl by se stát národním pokladem.“ To jsou velká slova. Zavazují jak Ivo Šaumana, tak českou vědu. Ta musí nalézt tolik prostředků, aby vracejícím se vynikajícím mladým vědcům nejen nabídla slušnou komnatu v chátrajícím domě, ale aby i dům mohl být opraven a oživen.