Háďátko a genetická regulace buněčného osudu

V minulém roce obdrželi Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství Sydney Brenner, H. Robert Horvitz a John E. Sulston. Získali ji za své objevy „genetické regulace vývoje orgánů a buněčné smrti“. Někoho snad může překvapit, proč si tito tři muži nezvolili jako model pro studium tak zásadních biologických problémů (dotýkajících se lidského zdraví) savce. Rozhodli se pro nejjednodušší a nejlevnější mnohobuněčný organizmus, na jaký mohli pomyslet, hlístici Caenorhabditis elegans. Ne náhodou jejich ceně „za červy“ předcházela Nobelova cena „za mouchy“. Tu v roce 1995 získali Ch. Nussleinová-Volhardová, E. Wieschaus a E. B. Lewis za myšlenku využít mušku drozofilu k identifikaci všech genů nezbytných pro její vývoj (viz Vesmír 75, 7, 1996/1). Obě ceny představují přínos početných „červích“ a „muších“ vědeckých komunit, jejichž členstvo se po celém světě rozrostlo do tisíců. České studenty možná znepokojí fakt, že v naší zemi, která je kolébkou J. G. Mendela, spočítáme laboratoře a učitele biologie využívající háďátko nebo drozofilu na prstech jedné ruky.

Sydney Brenner – nekonečný příběh osobnosti

Zaměříme se na S. Brennera, protože právě jeho před 40 lety napadlo využít co nejjednodušší mnohobuněčný organizmus ke studiu „vývoje nervového systému“. Není to ale jediný důvod. Brennerova výjimečnost tkví v tom, že neučinil jeden, nýbrž hned několik objevů, přičemž Nobelovu cenu mu mohl vynést kterýkoli z nich. Dříve než začal pracovat na háďátku, rozluštil genetický kód a objevil mediátorovou ribonukleovou kyselinu (mRNA). Svoji závratnou kariéru několikrát přerušil, jen aby mohl začít nový projekt, a pokaždé byla jeho práce korunována úspěchem, který by býval uspokojil nejednoho badatele. Neuspokojil však S. Brennera, syna ševce z Jižní Afriky. Ještě nyní, ve svých 76 letech, Sydney Brenner aktivně bádá v dalších, otevírajících se oblastech výzkumu jako profesor Salk Institute v Kalifornii. Jeho nejnovějšími zájmy jsou evoluce genomů a funkční genomika. Mimo jiné píše eseje (viz např. „Nanebevstoupení Francise Cricka“, Vesmír 77, 405, 1998 a „Teoreticky vzato“, Vesmír 82, 135, 2003/3).

Vraťme se ale na začátek, do doby, kdy průkopníci molekulární biologie pracovali s jednoduchými bakteriofágy. Tehdy Brenner studoval na Univerzitě Witwatersrand v Johannesburku. Později, r. 1954, získal Ph.D. v britském Oxfordu. Od r. 1956 pracoval v Medical Research Council v britské Cambridži, kde spolu s F. H. Crickem (viz Vesmír 77, 388, 1998/7) ukázali, že genetickým kódem pro každou aminokyselinu je trojice nepřekrývajících se nukleotidů. Společně s F. Jacobem a M. Meselsonem potom Brenner zjistil, že nikoli ribozomální RNA, ale poměrně nestabilní mRNA přináší genetickou informaci DNA z buněčného jádra do cytoplazmy, kde se podle ní syntetizují proteiny. Studiem mutací amber a ochre u bakteriofágů se svými spolupracovníky identifikoval trojice nukleotidů ukončujících translaci mRNAs do proteinů, tzv. stop-kodony. V letech 1979 až 1989 vedl v Medical Research Council laboratoře molekulární biologie a později laboratoře molekulární genetiky.

Hledá se jednoduchý živočich, který by „seděl modelem“?

Po roce 1961, kdy mu vyšly stěžejní práce v časopise Nature, cítil Brenner nutnost pokročit k aktuálnějším a důležitějším problémům – k vývojové biologii a neurobiologii. V dopise Maxovi Perutzovi r. 1963 Brenner usoudil, že „všechny klasické problémy molekulární biologie buďto již byly, nebo v příštím desetiletí budou vyřešeny“. Navrhl proto, aby se genetické principy vývoje a činnosti nervové soustavy zkoumaly přímo na úrovni celého organizmu.

K tomu potřeboval model – jednoduchého živočicha s krátkým životním cyklem a početným potomstvem, který by byl snadno přístupný chovu v laboratoři i genetickým metodám. Toto kritérium splňovaly malé hlístice volně žijící v půdě, jako je háďátko Caenorhabditis elegans. Původně neměl Brenner na mysli přímo Caenorhabditis elegans, ale příbuzný druh s podobnými vlastnostmi Caenorhabditis briggsae, který používal ke studiu dědičnosti V. Dougherty s kolegy již v r. 1948. Ostatně ani Caenorhabditis elegans Brenner „nevyhrabal ze země“. Experimentální výhody tohoto jednoduchého červíka již dříve rozpoznali Francouzi R. Delavault a J. L. Brun, kteří studovali jeho populační genetiku v době, kdy Brenner ještě objevoval mRNA.

Model unikátních vlastností

V roce 1974 publikoval Brenner rozsáhlou práci o háďátku Caenorhabditis elegans v časopise Genetics. Tato práce se stala milníkem pro „červí badatele“ celého světa. Brenner tak položil základy experimentálních postupů nezbytných pro funkční genetické studie, ve kterých se využívají mutantní linie hlístic. Caenorhabditis elegans se stalo široce přístupným modelovým organizmem. Jako přípravu pro systematické studium činnosti nervové soustavy zmapoval Brenner se spolupracovníky všechna spojení mezi všemi 282 neurony, které háďátko má (rekonstruoval tisíce elektron-mikroskopických řezů zachycujících všechny axony). Dodnes zůstává háďátko jediným živočichem, pro nějž známe kompletní „schéma zapojení“. O Nobelovu cenu se však Brennerovi „postaraly“ pozdější objevy, které by bez jeho průkopnické práce nebyly možné.

Na některé z těchto objevů (především na ty, za které dnes John Sulston a Robert Horvitz sdílejí se svým někdejším vedoucím S. Brennerem Nobelovu cenu) se nyní podíváme. Nejprve ale musíme vysvětlit ještě jednu unikátní vlastnost háďátka. Tento průhledný, asi milimetr dlouhý červík má totiž nízký, konstantní počet buněk, jejichž osudy se v každé generaci naprosto přesně opakují. Znamená to, že během vývoje každého jedince projde každá buňka embrya vždy předem určeným počtem dělení. Dává tak vzniknout přesnému počtu buněk, které nakonec utvoří vždy tutéž část těla, ať už jde o střevo, gonádu, sval, podkožní vrstvu buněk (hypodermis) nebo nervový systém.

• John Sulston sleduje každou buňku. Tento badatel s nadlidskou trpělivostí vystopoval osud každé buňky C. elegans od jejího zrodu až po její konečnou roli na místě určení. Každou buňku také pojmenoval. Všiml si, že při dělení během vývoje vzniká celkem 1090 somatických jader, ale dospělý červ jich má pouze 959. Zbývajících 131 buněk totiž umírá, a to v přesnou dobu na předem určeném místě. Tyto buňky končí svůj život „sebevraždou“, programovanou buněčnou smrtí, která je pro normální vývoj (nejen u C. elegans) nezbytná. Nadpočetné buňky, které by „zapomněly“ zemřít, totiž způsobí vývojové vady. Jiné vady by zase vznikly, kdyby chyběly buňky, které přežít měly.
• Robert Horovitz vysvětluje buněčnou smrt. V souvislosti s uvedenými fakty snadno pochopíme sílu genetiky u Caenorhabditis elegans. Protože buňky se v každé generaci červů chovají podle neměnných programů dělení, diferenciace a smrti, můžeme získat mutanty, u nichž budou tyto programy dědičně abnormální. A skutečně, desítky mutací, které mění osud buněčných linií, byly využity k zmapování regulačních drah řídících vývoj organizmu. Jedna taková signalizační dráha, závislá na receptoru pro epidermální růstový faktor (EGF) a proteinu RAS, řídí u háďátka diferenciaci vulvy. Stejná dráha je ale nezbytná při vývoji orgánů hmyzu nebo člověka. Robert Horvitz využil háďátko k vysvětlení genetiky programované buněčné smrti, apoptózy. Izoloval mutanty vykazující defekty v buněčné smrti, které pojmenoval např. ced-3, ced-4 nebo ced-9. V devadesátých letech pak jeho skupina příslušné odpovědné geny identifikovala a ukázala, že molekulární dráhy řídící buněčnou smrt u háďátka a u člověka jsou si velmi podobné. Výzkum apoptózy má ovšem u člověka přímou souvislost s rakovinou (viz například Vesmír 79, 609, 2000/11 a Vesmír 80, 607, 2001/11).
• Přečten genetický kód háďátka. Výsledky S. Brennera, E. Sulstona, H. R. Horvitze a mnoha dalších podpořily snahu přečíst celý genetický „kód“ Caenorhabditis elegans. Již v roce 1998 se háďátko stalo prvním mnohobuněčným organizmem, jehož genomová DNA byla plně sekvencována. Pro jistotu si již dva roky předtím Brenner v rámci svého zájmu o nové živočišné genomy našel nové působiště. S darem 10 milionů dolarů od firmy Philip Morris založil Molecular Science Institute v Kalifornii.

Osmkrát chytřejší než fugu

V roce 1998 jsme Sydneyho Brennera potkali v Národním ústavu pro genetiku v Japonsku. Energický muž tam hovořil o svém novém dobrodružtví: sekvencování genomu jedovaté ryby Fugu rubripes (viz Vesmír 75, 235, 1996/4), česky ježík. Ačkoli fugu (jak ježíkovi říkají v Japonsku) patří k nejdražším pochoutkám tamní kuchyně, pro zájemce o sekvencování celých genomů představuje ekonomickou volbu. Její genom je totiž osmkrát menší než lidský, přestože nutně musí kódovat všechny proteiny potřebné k stavbě těla tohoto obratlovce, které není zas tak odlišné od těla našeho. Srovnání zmíněných dvou genomů nám toho může hodně říci o evoluci. Při přednášce Brenner vtipkuje: „Ovšemže potřebuju osmkrát víc DNA než fugu – nejsem snad osmkrát chytřejší a nevypadám aspoň osmkrát líp?“ Úsporná velikost genomu fugu je však mimořádná dokonce i mezi rybami. Brenner propaguje myšlenku použít úplnou sekvenci ježíkovy DNA jako filtr pro extrakci užitečné informace z jinak neuchopitelně obrovského genomu myší nebo lidí. Mohli bychom tak přeskočit většinu naší „balastní“ DNA, s jejíž analýzou si stejně nevíme rady. Někteří posluchači jsou skeptičtí, někteří možná Brennera považují za blázna, podobně jako o něm pochybovali jiní před 40 lety, než si „ochočil“ červy.

Tonutí v datech a hlad po vědomostech

Jisté je ale jedno. Minulý rok byla Nobelova cena předána těm správným lidem. Učinili z Caenorhabditis elegans nový modelový organizmus, který dodnes nezbytně potřebujeme, máme-li pochopit vývoj zvířat a lidí. Čerstvý laureát Sydney Brenner ve své slavnostní řeči řekl, že napříště už nebudeme potřebovat modelové organizmy – budeme to my sami. Zmínil také, že se „dnešní vědci topí v datech, zatímco hladovějí po znalostech“. Patrně tím reagoval na skutečnost, že veškerá informace v sekvencích DNA nám je k ničemu, dokud nepochopíme, co znamená. Nakonec připomněl, že nikoli geny, ale buňky jsou funkčními jednotkami organizmu.

Obdivujeme tohoto okouzlujícího a výřečného muže, jehož touha poznat neznámé a tajemné nikdy nespí. Kdo by chtěl vidět a slyšet jeho přednášku po udělení Nobelovy ceny, ať se podívá na www.nobel.se/medicine/laureates/2002/brenne....