O mitochondriích, mapách a přitažlivosti kruhu

Začalo prý to všechno docela nevinně. Kdysi, když ještě na Zemi nežilo nic než podivné prabakterie a zelenkavé sinice, spolkla jedna prabakterie druhou. Jenže spolknutá prabakterie se nedala jen tak strávit: přežila uvnitř buňky svého zpočátku nedobrovolného hostitele a spokojeně se tam zabydlela. Hostitel v ní časem našel zalíbení, protože ledajaké biochemické reakce prováděla lépe než on sám a velkoryse jej zásobovala svými produkty. Za to jí dobře platil – výživou a později tím, že za ni převzal výrobu některých buněčných složek. Evoluce mezitím nezahálela: z nespolknutých prabakterií se staly bakterie a archebakterie, jak je dnes známe, a z potomků buňky, která na počátku našeho vyprávění spolkla svou sousedku, dnešní jednobuněčné i mnohobuněčné eukaryotní (čili pravojaderné) organizmy. Každá buňka našeho těla, každá buňka rajčete nebo bramboru i každá pivovarská kvasinka v sobě nosí potomky původní spolknuté prabakterie, přetvořené ve vnitrobuněčné ústroječky – mitochondrie – bez nichž se nedokáže obejít a které pro ni vykonávají mimo jiné činnost tak základní a nezbytnou, jako je dýchání. Zelené rostliny navíc vděčí za svou barvu jiným organelám – chloroplastům, které jsou potomky podobně spolykaných sinic.

Potud endosymbiotická teorie o původu buněčných organel, jak ji podávají učebnice. Nikdo samozřejmě nemohl pozorovat, jak mitochondrie a chloroplasty vznikly; obojí organely si ale dosud zachovaly míru samostatnosti, která by se jinak dala těžko vysvětlit.

Podobně jako bakterie, i mitochondrie se mohou množit pouze dělením již existujících jedinců. Každá mitochondrie má, stejně jako každá buňka, na povrchu membránu. Každá mitochondrie si dodnes vyrábí část svých bílkovin sama, nezávisle na jádře hostitelské buňky, a má k tomu celý proteosyntetický aparát, nápadně podobný bakteriálnímu. A především: mitochondrie mají svou vlastní, na jádře nezávislou dědičnost, vlastní chromozom – mitochondriální DNA!

Ve většině učebnic na tomto místě následuje pěkná kruhová mapa mitochondriálního chromozomu. Ale dříve, než si zvykneme na představu, že mitochondriální DNA je uzavřena do kružnice, měli bychom se zamyslet nad tím, odkud ta představa pochází.

Konstrukce genetické mapy se podobá mapování neznámého území před nástupem letecké či družicové fotografie. Mapa chromozomu se sestavuje po kouskách; základem mapování je určování sousedů kteréhokoli zvoleného bodu na molekule DNA. Narazíme-li podruhé na bod, ze kterého jsme vyšli (a jsme-li si jisti, že se tento bod na chromozomu neopakuje), mapa se uzavírá do kruhu. Znamená to však, že se do kružnice uzavírá i studovaná molekula DNA? Bylo by tomu tak, kdybychom mapu odvozovali z jediné kopie mitochondriálního genomu; ale skutečné mapy se sestavují na základě analýzy populací molekul. A tu se nám náhle naskýtají dvě možnosti, jak obdržet kruhovou mapu lineárního chromozomu (obrázek)! Mapa sama o sobě k závěru, že mitochondriální DNA je kružnicová, nestačí.

Odkud se tedy bere všeobecně přijatá představa, že mitochondriální DNA je kružnicová? Argument, že mitochondrie jsou někdejší bakterie a že bakterie mají kruhové chromozomy, nestačí. Nejpřesvědčivějším důkazem samozřejmě je úhledný, elektronovým mikroskopem pořízený snímek molekul DNA uzavřených do kružnice, jejíž obvod pokud možno odpovídá délce mapy sestavené „po kouskách“. V preparátech mitochondriální DNA vyšších živočichů je takových kroužků až 90 %. Nad zbytkem si není třeba lámat hlavu, uvědomíme-li si, že analýza jakékoli DNA v elektronovém mikroskopu se podobá stanovování průměrné délky vařené špagety na základě fotografie. Rozbité molekuly (a přetržené špagety) nejsou žádnou vzácností.

Kruhová mapa mitochondriální DNA si našla cestu do učebnic a tím i do obecného povědomí. Zdálo by se, že oprávněně; ale toto zdání je, jak ukazuje nedávno zveřejněný článek Arnolda Bendicha z Univerzity v Seattlu, klamné.

Situace totiž není zdaleka tak jednoduchá, pokud se zabýváme i jinými organizmy, než jsou mnohobuněční živočichové. V preparátech mitochondriální DNA hub a rostlin je kružnicových molekul méně, než bychom čekali, a jejich velikost mnohdy neodpovídá hodnotě předpovězené z kruhové mapy. U tabáku např. nikdo nikdy neviděl víc než několik procent pozorovaných molekul mitochondriální DNA v kruhové formě. Vžitou představou to však neotřáslo: je přece možné, že se tabáková DNA snadno trhá při izolaci a že zdokonalení metod nakonec přece jenom přinese potvrzení učebnicového modelu.

K tomu však nedošlo. Samozřejmě byly vyvinuty nové a mnohem šetrnější izolační techniky – ale ukázalo se, že mitochondriální DNA mnohých rostlin a hub tvoří vlákna o délce mnohem větší než očekávané kružnice a že kružnicové molekuly jsou spíše výjimkou než pravidlem! Ne že by se zase stalo tak moc. Replikace kružnicové DNA může dát vzniknout dlouhým, zřetězeným lineárním molekulám, které pořád poskytují stejnou kruhovou mapu (obrázek); a ví se, že například některé viry takovou replikační strategii s úspěchem používají. Stačí tedy jen přiopravit model – to se ve vědě děje dnes a denně.

Proč vlastně vstoupila kruhová mapa do našeho povědomí tak hluboko, že pozorování ojedinělých kružnicových molekul ve změti lineární DNA stačilo jako „důkaz“ obecně kruhové povahy mitochondriálního genomu? Odpověď je jednoduchá: učebnice praví, že mitochondriální DNA je kruhová. Naše (tedy savčí) mitochondriální DNA kruhová je, a savčí buňky byly studovány jako první. Kdyby první pozorované molekuly mitochondriální DNA pocházely z tabáku, byli bychom se divili, k čemu je ta vzácná a neobvyklá kružnicová forma.

Napadá mne ale další důvod, proč kruhová mapa mitochondriální DNA tak snadno – a jak se teď ukazuje, poněkud předčasně – dobyla stránky učebnic: protože je hezká. Je úžasně jednoduchá; tak jednoduchá a elegantní, že prostě musí být správná. (Taky správná je, jen si musíme uvědomit, že je to mapa genetická a že neříká nic o fyzické struktuře mitochondriálního genomu.) Zvykli jsme si mít rádi jednoduchá a elegantní řešení; jsme jenom lidé, a věda je „jenom“ lidská činnost; a někdy se naše uvažování pohybuje v kruhu, i když máme co dělat s lineární molekulou.