Embryologie a genetika

HEREZE PROTI MOLEKULÁRNĚ ODVOZENÉ HOMOLOGII ČILI PŘÍBĚH S DOBRÝM KONCEM

V posledních letech se toulá po světě spasitel. Nenápadnými kradmými kroky se už zase blíží milénium, není tedy nijak zvláště podivné, že se po světě toulají spasitelé. Ten přírodozpytcův je nazván svými učedníky molekulární biologie. Každým dnem prostřednictvím svých nadpřirozených metodických postupů páchá zázraky na denním světle a bez uzardění slibuje odpovědět na (takřka) vše, co jen neukojeného človíčka napadne. Tento mesiáš je skvělý, je vášnivý, je neopakovatelný, je nejlepší.

Je ovšem zábavné na každém neposkvrněném početí hledat cosi nepatřičného, cosi zasmrádajícího, naše punkerská generace je zkrátka taková. Už nějaký čas přinejmenším pár lidí po světě nevěří na to, že by fylogenetické analýzy i těch nejkonzervativnějších sekvencí ribozomálních nukleových kyselin (tím spíš takových těch o něco míň konzervativních sekvencí, jako je rbcL nebo ubiquitin) samy o sobě rozlouskly záhady všeho stvoření a definitivně postulovaly ty pravé, niterné vztahy mezi organizmy. Naopak, stále sílí tendence pokoušet se při fylogenetických analýzách o totální evidenci, tedy bezbožné použití molekulárních i morfologických dat v jedné veliké, všepohlcující matici znaků, která se následně rozžvýká příslušným metodickým postupem.

Jiným velkým zázrakem je používání analýz sekvencí homeoboxových genů při hledání svatého grálu evolučních a systematických biologů, totiž – homologií. Všem je jasné, proč je nutné homologie hledat, zhusta to i sem tam někdo činí, ale ony se, mrchy, bohužel hledají dost špatně. Homeoboxové geny jsou ale přece zázrak nade všechny ostatní! Je tak elegantní vyvodit homologii mezi komplexy morfologických znaků (výhradně) na základě příbuznosti homeoboxových genů hrajících klíčové role v jejich utváření během ontogeneze.

Pýcha často předchází pád. Buďme tedy obezřetní a společně s panem Frietsonem Galisem (viz říjnové číslo časopisu Trends in Ecology and Evolution – TREE) se podívejme na celou věc blíž. Nemělo by naše úvahy zneklidňovat vědomí stovek milionů let samostatné evoluce taxonů, jejichž struktury chceme homologizovat? Přes nepochybně velkou konzervativnost homeoboxových genů existuje určitá možnost, že mohlo dojít k nějakým tvrdším změnám ve vztahu mezi geny a příslušnými morfologickými strukturami. Objevují se názory, že je přinejmenším nerozumné homologizovat různé struktury na základě molekulárních dat bez pokusu o vhled do jejich vývojových mechanizmů.

Především by mělo být důležité nějak doložit, že homologní homeoboxové geny jsou účastny ve formování skutečně homologních struktur. Při srovnávání různých skupin organizmů se zdá, že je snazší nalézt příklady homologních homeoboxových genů spojených spíše s nehomologními než homologními strukturami. Ukázkou budiž obratlovčí gen Brachyury (T) zapojený ve vývoji hřbetní struny a jeho hmyzí obdoba gen T angažovaný ve formování zadního střeva. Podobná situace se opakuje i po sestupu poněkud níže v hierarchii tvorstva – například v rámci hmyzu. Gen Distalless se v drozofile podílí na předozadní organizaci končetin a křídel dospělců, naproti tomu u motýla Precis coenia je tento gen exprimován v panožkách housenek a u dospělců v oblasti křídel v místech, kde se zakládají taková ta pěkná oka. Panožky by měly být homologní s normálními končetinami – potud je všechno v pořádku. Fleky na křídlech v podobě ok by měly být homologní s nohama nebo křídly už o dost míň. Příklady, kdy jsou homologní geny zřetelně zapojeny ve formování homologních struktur a ne toliko v určení podobné poziční informace, se nacházejí pouze uvnitř hmyzu nebo uvnitř obratlovců.

Proč tedy obvykle nejsou homologní geny účastny v zakládání homologních struktur? Pan Galis nabízí několik různých vysvětlení:

- Lze předpokládat, že duplikace homeoboxových genů (či jejich skupin) zřejmě vedla ke vzniku nadbytečné genetické informace. Některé práce ukazují, že tato redundantní informace mohla být v nezávisle se vyvíjejících liniích nezávisle použita, což mohlo vyústit v zapojení homologních genů do vývoje nehomologních struktur.

- Stejné homeoboxové geny mohou signalizovat stejnou poziční informaci, a mít tedy stejnou funkci, ale jimi oslovené buňky mohou založit nehomologické struktury. Evoluční změna se v takovém případě objevuje někde na hierarchicky nižší hladině, než je homeoboxový ovládač.

- Pleiotropní (tedy mnohofunkční) homeoboxové geny mohly během evoluce ztrácet své jednotlivé funkce, přičemž tyto ztráty mohou být samozřejmě u různých linií potomstva různé.

- Ontogeneze je interaktivní proces. Funkce homeoboxových genů závisí na kontextu, ve kterém jsou exprimovány. Proto by měl být při hledání homologií nutně brán zřetel na vývojové mechanizmy. Evoluční změny mění vývojové mechanizmy, novinky ve struktuře se uskutečňují skrze změny ve vývojových interakcích.

Vezmeme-li například obratlovce a hmyz, jejich ontogeneze se v některých ohledech dosti liší, zejména pokud jde o chování tkání. U členovců jsou tkáně tvořeny plochami vzájemně spojených buněk, tedy epitely, které se vyvíjejí v podstatě autonomně. Vývoj obratlovců naproti tomu kromě vývoje epitelů zahrnuje i spolupráci mezenchymu, jehož izolované buňky migrují do lokálních epitelů, s nimiž následně interagují. Ontogeneze u obratlovců navíc probíhá prostřednictvím kaskády induktivních procesů. Zdá se tedy značně obtížné hledat homologie zrakových orgánů hmyzu a obratlovců za situace, kdy k jejich vzniku dochází zcela odlišnou cestou.

Genetické mutace se mohou přihodit na každé úrovni hierarchické organizace vývoje organizmu a evoluční novinky způsobené jejich účinkem se mohou objevit na kterékoli z těchto úrovní. Nepatrné mutace mohou mít nepatrný vliv, anebo taky vliv ohromný, plynoucí z celé kaskády interakcí. To je podle Galise příčina toho, proč je tak problematické hledat pomocí homeoboxových genů homologie struktur například u obratlovců a u hmyzu. A co hůř – proč je celý tento koncept homologií tak obtížně interpretovatelný a v posledku tak kontroverzní.

Tak především, zamyslete se nad tím, co jest homologie (podrobněji viz článek J. Zrzavého, Vesmír 76, 27, 1997/1). Dále, nevěšte se. Stejně se neustále motáme na různých hierarchických hladinách organizace živých soustav a tak nějak nevíme, co je to znak, a přitom právě v tom nám mohou ontogenetické mechanizmy leccos napovědět. A v posledku považte: to, že jsme humři vzhůru nohama, je přece neuvěřitelně nádherné.

Stanislav Mihulka

Galis F.: The evolution of insects and vertebrates: homeobox genes and homology. TREE 11:10, 402–403, 1996