Geonomy všech tří říší v databázích

Existují tři typy buněčného života, a podle toho se veškerý život na planetě dá roztřídit do tří říší: Eubacteria, Aechaebacteria a Eukaryota. První dvě říše zahrnují organizmy bakteriální, mezi eukaryontní organizmy patří prvoci, houby, rostliny a živočichové. Ve Vesmír 75, 128, 1996/3 reagovala F. Cvrčková na skutečnost, že už jsou známy úplné sekvence dvou eubakteriálních genomů. Mycoplasma genitalium a Haemophilus influenzae. Bakterie Mycoplasma genitalium má jeden z nejmenších známých buněčných genomů - její DNA je dlouhá jen 0,58 Mb (megabáze = milion bází) a obsahuje všehovšudy 473 genů, zatímco genom H. influenzae je dlouhý 1,83 Mb a má 1760 genů. Od té doby je znám i genom jednoho zástupce archebakterií - metnogenní bakterie Methanococcus jannaschii (1,66 Mb, 1738 genů) [1] a s koncem roku 1996 se a seznamu ocitne několik dalších bakteriálních genomů, mezi nimi i genom bakterie Escherichia coli (4,2 Mb, 3700 genů). Opravdovým průlomem však byla první kompletní sekvence organizmu eukaryontního - kvasinky Saccharomyces cerevisiae (13,5 Mb, 5800 genů) [2]. Rychle pokračuje sekvencování genomů i několika mnohobuněčných organizmů.

S trochou licence snad můžeme jednotlivé geny přirovnat ke slovům v textu, ostatní sekvence k interpunkci. Celý genom je pak knihou napsanou s použitím slov, gramatických a pravopisných pravidel. Víme, že slova a pravidla jsou sdílena mnoha a často dokonce všemi organizmy. Jakou část slovníku a pravidel však známe, to nám může odhalit jen analýza celé knihy. Navíc, pořadí slov, vět, kapitol...bývá (alespoň u eukaryontních organizmů) striktně dodržováno u všech příslušníků jednoho druhu, blízce příbuzné druhy se však už mohou lišit pořadím těchto celku, a dokonce velikostí celé knihy... Tak např. čolci či liliovité rostliny mají ve svém genomu až desetkrát víc DNA než člověk, což jistě není mírou množství genů, ani to nic nenapovídá o evoluční úspěšnosti či pokročilosti těchto skupin.

V citovaném článku mluví Cvrčková o "minimálním genomu" nutném k přežití buněk. Takový genom musí v podmínkách současné biosféry obsahovat zhruba 400-500 genů kódujících základní provoz buňky. Autorka ukazuje, že takový organizmus dnes může přežívat jen jako parazit - na úkor organizmů s bohatším aparátem genů, a konstatuje, že "bez zbytečnosti není života". Mimo to velkou , a zejména u mnohobuněčných organizmů převážnou část sekvence DNA navíc zabírají úseky, které nejsou geny. Před každým genem se např. nacházejí dlouhé specifické úseky, na které nasedají proteiny umožňující a regulující čtení daného genu. Další úseky jsou vyčleněny pro komunikaci DNA se strukturami, které o ni pečují. Tyto "užitečné" sekvence navíc tvoří, zejména u mnohobuněčných eukaryont, jen zlomek celkové délky DNA. Blízce příbuzné skupiny organizmů se často mohou řádově lišit v obsahu své DNA. V genomu jsou navíc přítomny dlouhé, tzv. repetitivní (satelitní) sekvence . mnohonásobně se opakující krátké motivy. V genomu člověka je kupř. asi jeden milion kopií tzv. Alul sekvence, dlouhých 300 bází, takže tento jediný monotónně se opakující motiv tvoří až 3 - 6% celkové délky DNA. U živočichů tvoří takové satelitní sekvence až 10 - 25% genomu, zatímco samotné geny zabírají jen přibližně jediné procento. Připadá tedy v "knize" na jedno smysluplné sdělení několik stránek blábolů? Na to může dát odpověď jen analýza knihy jako souvislého textu. Už dnes lze srovnávací analýzou dojít k prvním závěrům, zde upozorním na dva:

Genů v genomu může být mnohem víc, než se původně předpokládalo

Ukázalo se to už v r. 1992, kdy byla poprvé publikována úplná sekvence DNA celého chromozomu kvasinky. Šlo o poměrně malý (315 kb) chromozom III kvasinky Saccharomyces cerevisiae (celý genom o délce 13 500 kb je rozčleněn do 16 chromozomů). O tom, jak náročný úkol to byl, nejlépe svědčí skutečnost, že se na něm podílelo 147 autorů z 35 laboratoří [6]. Autoři na pouhých 315 kb nalezli 1820 úseků, které nesly charakterictiky genů kódujících proteiny. A tu se ukázalo, že jen 37 z nich bylo známých už předtím - a to navzdory několika desetiletím velmi intenzivních genetických studií na tomto organizmu! Dvacet devět dalších sekvencí bylo podobných sekvencím známým u této kvasinky nebo u organizmů jiných. k této druhé skupině patřila podobná překvapení jako gen homologní s genem nitrogenázy u sinic. (Sinice používají nitrogenázu k asimilaci vzdušného dusíku, u kvasinek však taková činnost nebyla nikdy pozorována). Zbylých 117 genů neprojevovalo žádnou průkaznou homologii k čemukoli, co bylo zatím známo.

Z nově nalezených sekvencí bylo 55 zkoumáno z hlediska nutnosti pro přežití, a to tak, že daný gen byl experimentálně vyřazen z činnosti. V definovaných kultivačních podmínkách se projevily jako pro život nezbytné jenom tři z nově objevených genů, mezi nimi i zmíněný homolog nitrogenázy (!). Nefunkčnost čtrnácti dalších genů byla doprovázena změnami funkce, o roli ostatních genů se nevědělo zhola nic.

Co nového přinesla znalost celého genomu kvasinky oproti situaci, kdy jsme znali jen sekvenci jediného krátkého chromozomu? Celý genom kvasinky obsahuje 5800 genů, jak se ostatně odhadovalo. Téměř celá polovina z tohoto počtu však opět nevykazuje homologie se žádnou jinou sekvencí dostupnou v databázích, zbytek jsou sekvence známé buď z kvasinek, nebo sekvence mající homology v jiných organizmech. Podobná situace je u bakterií. Zatímco doposud se ze zjištěné funkce hledal gen, dnes jsou genetikové poprvé postaveni před problém odhalit funkci genů, o kterých se vůbec nevědělo, že existují a neví se, k čemu jsou! B. Dujon shrnující výsledky celého projektu [2] poněkud rozpačitě přiznává, že genetikové stojí před touto záplavou dat a mají potíže s tím, jaké otázky mají vlastně klást. Tato situace jistě nepotrvá dlouho a u této i dalších genomových sekvencí bude extrahovat i nové informace týkající se organizace, a zejména evoluce genomů.

Velikost a struktura genomů

Baterie (i jediný zástupce archebakterií) mají genomy o velikosti 500 - 8000 kb a největší genomy se překrývají s velikostí nejjednodušších eukaryontních organizmů. Bakteriální genomy nejsou konstantní ani uvnitř jediného "druhu", přesto konzervace menších celků (např. tzv. operonů) je patrná i u evolučně značně vzdálených druhů. Běžné jsou i genové duplikace - např. u E. coli je zdvojeno asi 40% genů. U eukaryont nejsou natolik běžné duplikace genů, ale patrně během evoluce došlo několikrát k duplikaci celých genomů a následné diferenciaci funkcí duplikovaných sad.

U eukaryont byly zjištěny i jiné pozoruhodnoti. Zdá se, že pro mnohobuněčného živočicha je "základní" sadou počet 12 - 14 000 genů: tento počet je typický pro tak rozdílné organizmy, jako je moucha Drosophila (Arthropoda, 165 Mb), hlístice Caenorhabditis (Nematoda, 100 Mb) a ascidie Ciona, česky Sumka (Urochordata, resp. Ascidiacea, 165 Mb), a také pro nálevníky. Zhruba 40 000 genů je přítomno u hlavonožců (Loligo, 2,7 Gb), zatímco obratlovci mají 70 - 100 000 genů v genomech, které jsou u savců velké asi 3 Gb. Tato čísla spolu s poznatky o některých genových rodinách naznačují, že obratlovci mají oproti oné hypotetické základní sadě osmkrát větší genom - že tedy během evoluce sešlo několikrát k duplikaci této sady. z takového zjištění by vyplývalo, že počet základních drah, ať už metabolických nebo regulačních, je stejný u všech živočichů, u těch se zmnoženým genomem však nalezneme množství variant na dané téma. Ví se také, že téměř žádný z genů nemá v ontogenezi jedinečné místo a čas pro svoji expresi, tytéž geny jsou čteny (exprimovány) v různých, často diametrálně odlišných kontextech tkání a funkcí po celou dobu života jedince. Je naděje, že během krátké doby budou získány poznatky o synergii genových produktů, o roli tzv. genetického pozadí pro funkci těchto produktů a další odpovědi.

Sekvence archebakterie M. jannaschii je zase zajímavá ze dvou pohledů. Za prvé, jde o první případ sekvence z autotrofního organizmu (je to hlubokomořská bakterie žíjící ve vývěrech horké vody - její teplotní optimum je 85 °C - která získává veškerou energii oxidací vodíku a redukcí CO₂ na metan). Může se tedy ukázat, že zjištěný počet genů (1738) bude typický, či minimální pro volně žijící bakterie s nepříliš komplikovaným životním cyklem (srovnej s 1760 geny u H.influenzae). Sekvence už v prvním přiblížení přinesla zajímavé vhledy do pokusů o rekonstrukci evoluce veškerého tvorstva. Zatímco geny pro metabolické enzymy nesou jasné znaky podobnosti s homonologními geny eubakterií, geny pro proteiny pečující o genetické procesy (replikace DNA, transkripce, a zejména translace) jsou homologní spíše se svými eukaryotními protějšky. Údaje, které přišly náramně vhod nedávné teorii o vzniku eukaryontních buněk fúzí buňky archebakteriálního a eubakteriálního typu [3,4].

Proč pokračovat v této sekvenční aktivitě,

když nejrůznější databáze už beztak přetékají obrovským množstvím sekvencí genů a mimogenových oblastí? Do jaké míry je pravděpodobné, že velké databáze sekvencí, výkonné počítače a propracované vyhodnocovací programy nás vyvedou od DNA k biologické funkci? Tak se ptají G. L. G. Miklos a G. M. Rubin v srpnovém čísle časopisu Cell [5]. Odpovídají si, že samotné tyto informace postačující nejsou, jsou však důležitým předpokladem pro plánování příštích otázek a pokusů. Můžeme se ptát po významu skutečnosti, že různé evoluční linie se liší počtem genů ve svých genomech, po důsledcích cílené mutageneze, resp. vyřazení (knockoutu) genu z činnosti, po dynamice genových regulací, nebo po tom, jak jsou různé procesy v různých liniích konzervovány a jak se to obráží na úrovni genomu. Dodejme, že se může objevit i další tendence - zcela pochopitelná v situaci, kdy nezanedbatelná část, možná většina biologů neumí nic jiného než klonovat a sekvencovat DNA, a investovala už do této aktivity celou kariéru a nemalé prostředky. Ta tendence se bude odvíjet na základě takových hypotéz: "Člověk se evidentně liší od svého nejbližšího příbuzného - šimpanze. Na úrovni jednotlivých genových sekvencí však rozdílů téměř není. Tedy: příčina rozdílu musí spočívat ve struktuře celé genomové knihy. Vzhůru do sekvencování genomu šimpanze!! Zas bude pět let co dělat, a potom může přijít na řadu gorila a třeba gibon.

James Lovelock ve své knize Gaia - živá planeta ironizuje, že biologové tři sta let vypracovávali seznamy živých tvorů a nevybyl jim proto čas na důležité otázky, takže dodnes třeba nedovedou odpovědět na otázku Co je život? Když už se blížili ke konci této aktivity a zoufale se ohlíželi, čím by naplnili svůj profesionální život, objevila se metoda sekvence genů a oni se s úlevou pustili do výroby nových nekonečných telefonních seznamů. Nadsázka?