Genetický parazit pomocníkem vědců

Živé organizmy se stávají modely v biologii z nejrůznějších důvodů. Drápatka vodní (Xenopus laevis) se v Evropě chová v zajetí od padesátých let 20. století v souvislosti s těhotenskými testy. Na vstříknutí moči těhotné ženy, jež obsahuje hormon choriogonadotropin, totiž drápatka reaguje tím, že do druhého dne naklade vejce. Teprve později se o ni začali zajímat i vývojoví biologové, hlavně kvůli jejím vajíčkům. Vajíčka obojživelníků jsou dost velká, nemají skořápku a většina jejich objemu je tvořena protoplazmou, takže se v úvodní fázi vývoje embrya rýhuje téměř celé vajíčko. ¹⁾ Díky tomu na něm může výzkumník pod binokulární lupou pomocí různých jehel provádět poměrně složité mikrochirurgické zákroky.

Vývojoví biologové si oblíbili vejce obojživelníků už koncem 19. století. V experimentech, při kterých „přesazovali“ části raného zárodku na jiné místo, už ve dvacátých a třicátých letech 20. století nalezli řadu oblastí zárodku, které vysílají chemické signály okolním buňkám. Pomocí těchto signálů získají buňky informaci, ve které části embrya se nacházejí, a jakou cestou se tudíž má ubírat jejich vývoj. Zpočátku biologové používali vajíčka divokých žab a mloků, ta ale byla k dispozici pouze v krátkém období žabích námluv. Většina obojživelníků navíc patří mezi ohrožené živočichy (u nás třeba všechny žáby i mloci). Vědci si proto v druhé polovině 20. století všimli chovů drápatky vodní, kterou mohou bez problémů pěstovat v zajetí a vajíčka jim snáší téměř na požádání – po injekci choriogonadotropinu.

Drápatky a genetika

Některými vlastnostmi, jako je dlouhá generační doba, ale drápatky představy biologů o ideálním modelu právě nenaplňovaly, a tak se stalo, že kromě embryologů se jimi nikdo příliš nezabýval. Zvláště genetiku drápatek téměř nikdo nestudoval. Abychom mohli sledovat, jak se některý gen předává z rodičů na potomky, musíme být schopni odlišit jeho jednotlivé alely. Zakladatel genetiky J. G. Mendel mohl u svých hrachů rozpoznávat různé alely díky nápadným fenotypovým projevům, jako je barva květu. U drápatky se bohužel mnoho genů s podobně nápadným projevem nevyskytuje a ty linie žab, které nějaký nápadný znak nesou, jsou obvykle špatně dostupné. Jedinou možností jak odlišit dvě alely některého genu je izolovat proteiny, které jsou těmito alelami kódovány, a rozlišit je pomocí elektroforézy. Různé alelické formy proteinů mají totiž někdy různou schopnost pohybovat se v elektrickém poli. K tomu je ale potřeba, aby se tyto formy poměrně výrazně lišily, což vyžaduje náročné vytváření mezidruhových kříženců nebo žab, které mají k svému genomu přidáno několik chromozomů jiného druhu drápatky. Dalším omezením je, že se těchto proteinů spotřebuje na každý pokus poměrně velké množství. Abychom je získali, musíme po zkřížení vybraných rodičů čekat dlouhé měsíce, než potomci dorostou do potřebné velikosti, extrahujeme z jejich tkáně zkoumaný protein, a pak teprve můžeme zjišťovat, kterou alelu zdědili po kterém rodiči nebo který znak dědí dohromady s jiným apod.

Takový výzkum je zdlouhavý a není divu, že se mu věnovalo jen několik málo opravdu trpělivých badatelů. Zatím nebyl nalezen ani pohlavní chromozom. I když však tvrdíme, že drápatka není ideální model pro genetiku, v jejím genomu se asi skrývá leccos zajímavého. Víme například, že u drápatky vodní došlo v minulosti ke zdvojení počtu chromozomů. Nikdo ale neví, jak je možné, že se s tím drápatka vyrovnala, když u člověka stačí jediná kopie jednoho chromozomu navíc, aby to vedlo k smrti nebo k těžké nemoci (třeba známý Downův syndrom). Některé druhy drápatek přitom mají dokonce až dvanáct sad chromozomů. Zajímavá a nevysvětlená je i odolnost drápatek vůči retrovirům, které od drápatek vůbec nejsou známy. Lepší poznání genetiky drápatek by výrazně pomohlo i při zmiňovaném embryologickém výzkumu.

K čemu se může hodit repetice

Jedna z cest jak tyto výzkumy usnadnit začala být schůdná teprve díky objevu z roku 2000. Tehdy byla v genomu drápatky vodní náhodou objevena opakující se (repetitivní) sekvence dlouhá 86 párů bází. Byla nazvána Xstir ²⁾ a další výzkum odhalil, že genetická informace drápatek je touto sekvencí doslova prošpikována, v jedné sádce chromozomů (tedy v haploidním genomu) je jejích kopií nejméně milion. Vyskytuje se na mnoha místech (lokusech) genomu, a na každém takovém místě se navíc obvykle nachází několik jejích kopií těsně za sebou. Taková repetice se jmenuje tandemová. Kromě toho se Xstir vyskytuje i jako repetice obrácená, inverzní. V tomto případě začínají dvě kopie na jednom místě vlákna DNA a každá pokračuje jiným směrem, míří tedy od sebe. DNA díky tomu získává zajímavé vlastnosti, například může vytvářet poměrně stabilní křížovité struktury, které možná slouží jako mezistupeň při šíření repetice.

Repetice Xstir se chová jako transpozon, což znamená, že je schopna vytvářet kopie sebe sama, a tím zvýšit počet svých opakování v místě, kde se nachází, nebo se i šířit do nových míst. Způsob, jakým to činí, je dosud z větší části neznámý, protože na rozdíl od většiny transpozonů Xstir nekóduje žádný z enzymů, které jsou pro tento děj nutné. Možná se dokonce inverzní forma repetice šíří jinak než tandemová (přechod z jedné formy do druhé asi není častý, protože mezi pořadími genetických „písmen“ tandemové a inverzní formy repetice je několik typických rozdílů, které ukazují, že se formy mezi sebou příliš nemíchají). Je také otázka, zda Xstir má pro drápatku nějaký význam, nebo jestli je to parazit, který se veze v jejím genomu do dalších generací jako černý pasažér.

Pro studium dědičnosti je však důležité, že se repetice Xstir často nachází v intronech ležících uvnitř některých genů. Díky tomu, že Xstir má tendenci produkovat nové kopie a přidávat je k těm starším, je počet kopií repetice v tom kterém intronu u různých jedinců drápatky velmi variabilní. Jeden z důsledků tohoto jevu je, že má daný intron u těchto jedinců různou délku.

Když si uvědomíme, že délka intronu je znak, který se dědí společně s genem, ³⁾ v němž se intron nachází, a navíc že není problém příslušný intron namnožit ve zkumavce metodou PCR, ⁴⁾ a pak změřit jeho délku elektroforézou, přímo se nabízí možnost jejího využití při genetických výzkumech. Stačí si zjistit délky intronů obsahujících sekvenci Xstir u potomstva získaného křížením a srovnat je s délkami týchž intronů u obou rodičů. Tak můžeme zjistit nejen štěpný poměr alel zkoumaného genu, ale i vazbu mezi ním a jinými geny nebo mezi genem a určitým tělesným znakem, pohlavím apod. S nadsázkou můžeme říci, že délka intronu je pro biologa vyzbrojeného moderními metodami skoro stejně nápadný znak, jako byly barvy květu pro Mendela.

Hlavní výhodou této metody je, že nemusíme čekat dlouhé měsíce, až žabí potěr vyroste, protože k rozpoznání délky intronu stačí DNA izolovaná z kapky krve nebo z malého pulce. Žábu také nemusíme usmrtit (tak jako pro izolaci proteinu), takže lze pokus mnohokrát opakovat pro různé geny na stejných jedincích. Při experimentech založených na porovnávání proteinů se také občas stává, že nalezneme nějaký protein, který se dědí společně se sledovaným znakem, a je problém zjistit, o který protein jde. Dřívější metody detekovaly proteiny pomocí jejich biochemických vlastností, třeba schopnosti reagovat s určitým substrátem. Takové určování ale není vždy jednoznačné, v některých případech dokonce biochemické testy svedly badatele k chybnému výsledku. Autoři jedné studie například uvádějí, že gen pro mitochondriální jablečný enzym ⁵⁾ se dědí společně s pohlavím. Kdyby to byla pravda, byla by to cesta k nalezení pohlavního chromozomu u drápatek. Pokrok biochemie bohužel ukázal, že použitou metodou mohli jako jablečný enzym rozpoznat alespoň osm různých proteinů. Při využití variabilní délky repetice můžeme naopak gen, jehož introny budeme porovnávat, vybrat zcela cíleně. Kromě toho odpadá problém se získáním dostatečné variability genů v potomstvu, protože můžeme žáby otestovat, ještě než je zkřížíme, a vybrat pár s nejvhodnější kombinací délek intronů.

Velkým omezením této metody zůstává fakt, že ji můžeme použít jen na geny, jejichž sekvenci alespoň zčásti známe a které mají nějaký intron obsahující Xstir nebo jinou repetici s podobnými vlastnostmi. I tak nás ale přiblíží k významnému cíli – vytvoření genetické mapy drápatky vodní.