Na cestě od homeoboxů k genové terapii

Vývoj tělesné architektury, složitých orgánů a funkčně specializovaných tkání z nerozlišeného zárodku je stále nerozřešenou záhadou biologie. Lze vůbec porozumět dějům, které podmiňují, že vyvíjející se živočich nebo rostlina budou odpovídat příslušnému tělnímu plánu, typickému pro příslušný druh?

Snad díky objevu tzv. homeotických (homeoboxových) genů stojíme na prahu tohoto poznání (viz P. Šíma, I. Trebichavský: Homeoboxové geny, Vesmír 74, 276, 1995/5). Roku 1994 oslavovali vědci zabývající se problematikou těchto genů deset let od jejich objevu a sto let od doby, kdy W. Bateson razil termín „homeosa“ pro podobnost biologických variací tělních článků metamerických živočichů. Roku 1984 vyšla neočekávaně v tisku řada sdělení (McGinnis et al. 1984abc, Scott a Weiner, Laughon a Scott 1984, Shepherd et al. 1984, Carasco et al. 1984, Levine et al. 1984), a to hned v exkluzivních periodikách, jako je Cell, a renomovaných časopisech Nature a Proceedings Academy of Sciences USA, které zavedly pojem homeoboxu do vývojové genetiky. Přestože to byly práce obsahující poměrně málo údajů na to, jaký měly později vědecký význam, definovaly homeoboxy jako členy vysoce konzervativní rodiny sekvencí DNA, které byly nejvíce podobné homeotickým a segmentačním genům drozofily. Tato primární sdělení otevřela stavidla přívalu prací o homeoboxových genech, který trvá dodnes a přinesl s sebou i letošní Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu. Obdrželi je tří vývojoví biologové: emeritní profesor Kalifornské techniky Edward B. Lewis (77 let), Christiane Nüssleinová-Volhardová (52 let) z Ústavu pro vývojovou biologii v Institutu Maxe Plancka v Tübingenu a profesor molekulární biologie Eric F. Wieschaus (48 let) z Princetonské univerzity.

F. B. Lewis, stále vědecky činný, je považován za průkopníka tohoto vědního odvětví. Jako první použil genetický přístup při studiu embryonálního vývoje už začátkem čtyřicátých let. Své práce na drozofile začal r. 1946, kdy si povšiml vzácných, tzv. homeotických mutací, které nahrazovaly jednu část těla částí druhou. Výsledky více než třicetiletých studii publikoval r. 1978 časopisecky pod titulkem „Genový komplex řídící segmentaci u drozofily“ (A gene complex controlling segmentation in Drosophila, Nature 276, 565–570). Ukázal, že geny způsobující homeotické transformace jsou uspořádány do jednotlivých komplexů (clusters) na jednom chromozomu a jsou polarizovány tak, že geny odpovědné za vývoj hlavy se nalézají na jednom komplexu, zatímco geny určující vývoj zadečku jsou na opačném. Podobné komplexy řídící hierarchicky vývoj zárodku podle odpovídajícího tělního plánu s analogickým uspořádáním homeotických genů byly už objeveny díky usilovné práci desítek dalších vědců u všech zástupců živočišných kmenů včetně obratlovců a člověka, a také u rostlin. Proto Lewis, dnes populární, komentoval udělení ceny: „Můj přínos nebyl o nic důležitější než přínos mých spolupracovníků, mezi nimi i mé ženy Pamely, která izolovala jednu z důležitých mutant. Pouze jsme se 50 let snažili prosazovat genetiku nejvíc, jak jsme mohli, protože jsme byli přesvědčeni, že nám pomůže pochopit vývoj.“

Úspěch Lewisových studií inspiroval Ch. Nüssleinovou-Volhardovou a E. F. Wieschause. Tito vědci se setkali poprvé na Basilejské univerzitě r. 1975, ale teprve o tři léta později, v evropské laboratoři molekulární biologie, se zrodil jejich plán identifikovat geny řídící časný zárodečný vývoj drozofily. Byli si vědomi, že musí izolovat co nejvíce mutant, aby mohli popsat celý proces výstavby těla. Krmili proto mušky vysokými dávkami látek způsobujících mutace DNA a sledovali abnormální embrya. Kolem r. 1980 už znali 139 genů, které byly odpovědné za vývojové deformace. Znamenalo to mikroskopicky „vyšetřit“ tisíce mušek a zaznamenat a roztřídit i ty nejdrobnější detaily. Své nálezy uveřejnili společně v časopisu Nature v témže roce (1980) pod názvem „Mutace ovlivňující počet segmentů a polaritu u drozofily“ (Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila, Nature 287, 795–801).

Přestože od té doby vyšlo mnoho neméně důležitých prací studujících a popisujících homeoboxové geny řídící výstavbu tělní architektury u jiných živočichů, shodují se přední odborníci, kteří se tímto výzkumem zabývají, v tom, že Nobelova cena byla udělena správně. Za všechny je možno citovat dr. K. Andersonovou z Oddělení molekulární a buněčné biologie na Kalifornské univerzitě v Berkeley: „Je tu správná kombinace lidí a nádherné potvrzení důležitosti základního výzkumu.“ P. Lawrence, genetik z Laboratoře molekulární biologie v Cambridži, dodává, že nobelovské ocenění je velmi potřebným a zřetelným signálem pro ty, kdo určují vědní politiku, aby pokračovali v podpoře těch dlouhodobých projektů, které nejsou třeba elegantní nebo jejich výsledky nepřinášejí vždy konečná a ihned využitelná řešení. Tento typ výzkumu by měl být pro každého vědce denním chlebem, ale je stále těžší jej uskutečňovat. „Jsem přesvědčen, že dnes by na to Ed Lewis žádný grand nedostal.“

Díky objevu homeoboxových genů a pochopení jejich funkce se před biologií a medicínou otevírají dosud netušené obzory. I když jsme si z historie přírodních věd vědomi, že věci jsou daleko složitější,

než se vždy na první pohled jeví, a počáteční entuziazmus bývá bržděn řadou nepředvídatelných komplikací, lze tentokrát tušit, že poznání vývojových dějů a principů, které jej usměrňují, bude znamenat nejen převrat v myšlení v biologických vědách; ale i široce se otevírající možnosti praktického využití. Potvrzují to slova F. Kafatose, vývojového genetika a současného ředitele Evropské laboratoře Molekulární biologie v Heidelbergu, který považuje vědecký přínos práce všech tří laureátů za enormní: „Vedlo to k základnímu objevu, že genetické nástroje formující tělní plán jsou v celé evoluci tytéž.“

Po deseti letech výzkumu už známe stovky homeoboxových genů, byla identifikována řada jejich sekundárních produktů (homeodoménových proteinů), ale stále nevíme nic bližšího o mechanizmech jejich hierarchického zapojování v průběhu embryogeneze. Nevíme, proč jsou uspořádány na chromozomech v komplexech, zatímco jiné homeoboxové geny jsou mimo tyto distinktní skupiny. Ukázalo se však, že homeoboxové geny a jejich homeodoménové proteiny nemají jen specifickou úlohu v embryogenezi a organogenezi. Zasahují do buněčných funkcí v dospělém organizmu (např. jsou řídícími elementy při diferenciací buněk krevních řad a vývoji B-buněk, produkujících protilátky, a jejich dislokace nebo translokace způsobují některé typy leukemií). Problematice, kdy jeden nebo skupina homeoboxových genů řídí vývoj orgánů, se dnes věnují specializované týmy vědců. Známe např. už geny, které jsou odpovědné za vývoj oka, sleziny, končetin i centrální nervové soustavy. Jejich delece mají za následek dědičné vývojové vady (u člověka např. Vaardenburgův syndrom, který vede k hluchotě a abnormalitám obličeje). Je proto zřejmé, že budeme-li moci v budoucnu zavést bezpečnou a eticky přijatelnou genovou terapii, bude jistě využito nedávno objevených homeoboxových genů. Tím bude oceněna a zúročena nesmírně náročná práce nejen dnešních laureátů Nobelovy ceny, ale i práce jejich předchůdců a také pokračovatelů.