Jak se dělá tělo

Vypadáme vcelku jinak než moucha. A to nemluvím třeba o takovém korálu. Naše geny, ontogenetický vývoj a vůbec naše těla se nezávisle, a tedy odlišně vyvíjely stovky milionů let. Odlišnost těl pozorujeme bez větších potíží. Pokud nás však zajímá, jak vznikla, nebude na škodu podívat se na geny, které v tom mají prsty.

Nechť si laskavý čtenář prohlédne hřbety obou rukou, nejlépe položených vedle sebe. Nepochybně zjistí, že se mírně liší vedením cév (to jsou takové ty šedomodré čáry). Proč? Naše těla vznikají složitým ontogenetickým procesem. Když zakládající buňky cévního systému putovaly tělem, volily si svou cestu podle toho, kde byl zapotřebí kyslík. Neuroblasty při zavádění nervového vlášení sledovaly pro změnu laminin. V tak složitém systému není snadné najít přímou souvislost mezi nukleotidovou sekvencí genu a nějakým tvarem na těle. Přesto existuje milá výjimka. V každém buněčném jádru každého dvoustranně souměrného zvířete se nachází řetízek vysoce konzervativních regulačních genů, spořádaně poskládaných za sebou, tak jak svým působením předurčují jednotlivé úseky těla; říkáme jim Hox-geny (viz rámeček 1 ). Jim příbuzné Knox-geny najdeme například v rostlinách, kde regulují růst dělivých pletiv. Zdá se, že jsme už dobře pochopili jejich roli při ontogenezi. Zvolme si je proto jako model, na němž lze pozorovat, kterak změny na genové úrovni účinkovaly během fylogeneze.

Geny Hox, Bilateria a naše radiální hlava

Je třeba si uvědomit, že Hox-geny jako takové vlastně nic kloudného neumějí. Jsou jen článkem v řetězci. Informaci o tom, ve které části těla se nacházejí, přijímají buď od jiných genů či různých regulačních faktorů, které do embrya vložila matka, nebo z prostředí. Podle toho pak Hox-geny instruují další geny, které bioinformační kaskádou rozesílají pokyn dál, nebo vyrábějí funkční protein. A teprve ten se na vzhledu organizmu nějak projeví.

Je to právě tato jejich povaha, která činí Hox-geny tak atraktivními. Díky ní mohou hrát roli přepínačů, které způsobí, že i malá mutace může znamenat velké změny ve fenotypu nebohého (nebo šťastného) nositele. Z laboratoří vývojové biologie už celá desetiletí známe octomilky, které v důsledku poruchy genu Antennapedia (rozhodně nejpopulárnějšího Hox-genu vůbec) mají na hlavě místo tykadel dvě nohy. Jiným muším mutantům zase přebývá pár křídel, tu chybějí oči, onde dokonce všechny sudé tělní články. Otázkou zůstává, jak moc se změny Hox-aparátu podílely na evoluci tělních plánů během reálné fylogeneze živých věcí.

Řetězce Hox-genů se vyskytují výlučně u bilaterií (zjednodušeně řečeno dvoustranně souměrných zvířat), geny jim sekvenčně podobné pak nacházíme i u živočichů předbilaterálních, jako jsou medúzovci (Medusozoa), korálnatci (Anthozoa) či vločkovci (Placozoa). U těch však netvoří shluky a jejich funkce (alespoň z toho mála, co o nich víme) se také dost liší. Vlastně pouze jeden až dva Hox-geny lze bezpečně homologizovat u nezmara a člověka, a ty pravděpodobně představují výchozí stav pro vznik Hox-komplexů, jak je známe u vývojově mladších zvířat. Ostatní „hoxovité“ geny (omlouváme se za to neelegantní, ale výstižné slovo) předbilaterií nás vzrušovat nemusí. Koneckonců i my máme četné sekvence velmi podobné Hox-genům, které se však od počátku specializovaly na odlišné role; sekvenční podoba Hox-genu je zkrátka starší než jeho úloha.

Ještě bezstřevné „ploštěnky“ (Acoelomorpha) se musejí obejít bez Hox-komplexu, ale pak to přichází. U hypotetického tvora, kterému se občas po německém vzoru říká urbilaterián (byl společným předkem druhoústých i prvoústých a nic o něm nevíme, poněvadž jsme si ho museli domyslet), se Hox-gen mnohonásobně zkopíroval. Celkem jistě to nebyla jednorázová záležitost, v starohorní temnotě před fosilním záznamem na to urbilaterián měl dost času. Výsledkem byl řetězec sedmi Hox-genů, který my lidé sdílíme s mouchou, šnekem i tasemnicí. Na chromozomu jsou pěkně seřazeny tak, jak působí v těle – od hlavy k zadku (viz rámeček na s. 524).

Hox-komplex se zapojuje hlavně při vytváření oddílů trupu. Pro vytvoření hlavy jsou využívány další genové systémy, mnohdy zřejmě ještě mnohem starší. Však také existuje teorie radiální hlavy, podle níž je naše hlava vlastně původním radiálně symetrickým tělem žahavců a zbytek nám jaksi připučel za přispění právě Hox-komplexu, tudíž díky genové duplikaci. Dnes již máme nástroje jak do problému vhlédnout. Pokud by tělo bilaterií vzniklo z žahavčího nejnormálnější představitelnou cestou, totiž jeho položením na bok, dalo by se očekávat, že se geny určující naši předozadní osu původně podílely na utváření spodnohorní osy těla žahavců. Tak to ale není: „hoxovité“ geny mají u žahavců odlišné role a do vývojového procesu byly zapojeny až druhotně. Trupový oddíl vznikl expanzí a rozrůzněním úzkého pásu, který se u nezmara nachází mezi chapadly a ústím láčky (jde opravdu o evoluční novinku), oblast naší hlavy a bezprostřední okolí řiti máme s nezmarem společné (rozuměj definované stejným genovým systémem). Možná vás trochu překvapí, že řitní oblast bilaterií je homologická s nezmarovou láčkou, kdežto naše hlava je spřízněna s jejich stvolem a nožním terčem (obrázek 1).

Můžeme si položit otázku, je-li vlastně k vytvoření bilaterálního zvířete doopravdy třeba celý Hox-komplex. Odpověď zní: Ano i ne. Ontogeneze totiž často probíhá přes tzv. embryogenezi prvního typu, kdy napřed vzniká mikrometazoon – jednoduchoučká, avšak plně životaschopná larva, která se svým tělním plánem dospělci podobá jak kleště sporáku (obrázek 2). V prostudovaných případech taková larva vzniká podle programu pouhých dvou Hox-genů (ne nutně vždy těch samých) a ty zbývající se zapojí až při vývinu ekologicky odlišného makrometazoona, to jest dospělce. Pozorováno to bylo u pluteové larvy ostnokožců nebo trochoforové larvy kroužkovců; hmyz a zjevně ani člověk mikrometazoony nemají, neboť ontogeneze u nich už od počátku zapojuje větší množství Hox-genů.

Při konstrukci fylogenetického stromu různých zvířecích skupin se občas stane, že se v houští větví s přímým vývojem objeví jedna s larválním stadiem (nebo naopak), na uzly daleko od příbuzných se stejnou ontogenezí. To ovšem nutně nemusí být tragédie. Vždyť Hox-genový systém přepínačů umožňuje vrátit se k dávno opuštěnému primitivnímu stavu tělního plánu nebo ontogeneze (přesněji řečeno primitivní stav napodobit). Stačí v ontogenezi výrazně předsunout expresi několika Hox-genů před ostatní – a larva je tu. Zní to zvláštně, ale stává se to, jedna malá skupina ježovek kolem rodu Heliocidaris by mohla vyprávět…

Nadzvíře obratlovec

My obratlovci máme všichni čtyři Hox-komplexy, kdežto bezobratlí (včetně kopinatce) pouze jeden. Často v tom bývá spatřována dávná klíčová porucha v genomu, která namnožila celé chromozomy a ve svém důsledku nás vyšvihla vysoko nad složitostní úroveň okolních skupin živočichů. Vskutku jsme ve srovnání s ježovkou geneticky přinejmenším čtyřnásobní; k jednomu jejímu genu máme nápadně často ještě další tři alternativy. Milovníci Událostí s velkým „U“ jsou ovšem trošku vedle: strunatci mají prostě tendenci čas od času omylem navíc kopírovat delší úseky DNA (což je ve skutečnosti defekt provozního – tzv. house-keeping – aparátu buňky) a je zřejmě jenom záležitostí statistiky, že to do dneška stihlo většinu obratlovčích genů tak akorát zčtyřnásobit. Koneckonců i náš chudý (rozuměj pomalu se vyvíjející) příbuzný kopinatec, který nedisponuje celými Hox-komplexy navíc, si alespoň namnožil některé dílčí geny.

Co se týče samotného Hox-komplexu, namnožil se poprvé někdy mezi kopinatcem a mihulí (tedy na úsvitu obratlovců), což vedlo k nejméně třem jeho kopiím u kruhoústých. Čtvrtá kopie Hox-komplexu pak vznikla před odštěpením čtvernožců – a to je stav, se kterým vystačí i člověk. Ne tak ovšem paprskoploutvé ryby. Známe u nich sedm Hox-komplexů a osmý se zřejmě ztratil. Rybí Hox-revoluce proběhla před méně než 400 miliony let (až po odštěpení bichirů), a tentokrát už opravdu revolučně, totiž polyploidizací neboli zmnožením celého genomu. Na druhou stranu se ale nedá říct, že by tělní plán kapra byl v důsledku toho výrazně komplikovanější než u bichira, bahníka nebo člověka.

Podívejme se krátce na to, jaké osudy mohou čekat dceřiné geny vzniklé duplikací. Je celkem nepravděpodobné, že by si oba udržely delší dobu stejnou funkci – jeden z nich dříve nebo později začnou stíhat mutace, které nebudou z populace selektovány, neboť gen byl stejně nadbytečný. Může „podlehnout erozi“ a zmizet, což se doopravdy mnohokrát přihodilo. Čtyři Hox-komplexy člověka jsou děravé jak řešeto – místo očekávatelných padesáti dvou (4×13) genů jich máme jenom třicet devět. A pro oněch sedm řad paprskoploutvých ryb je i řešeto slabým slovem: zbylo pouhých čtyřicet osm funkčních Hox-genů.

Nicméně i přesto se absolutní počet Hox-genů v genomu zvýšil; zdá se tedy, že nějaký mechanizmus umožňuje přetrvání vzniklých kopií. Jednou možností je, že nějaká mutace postihla oba geny a omezila jejich výkonnost, takže se jeden bez druhého neobejdou. Příkladem budiž gen Hoxb1, který se u myši aktivuje během ontogeneze dvakrát: poprvé ve velmi rané fázi vývoje indukuje vznik zadního mozku, podruhé organizuje už jen jeden určitý jeho segment. Dánio (Brachydanio rerio) neboli zebřička, taková „octomilka mezi obratlovci“ (viz Vesmír 74, 7, 1995/1), má dvě kopie Hoxb1, obě ovšem méně schopné – první umí pouze zadní mozek a druhá zas jen onen konkrétní segment.

Poslední a nejzajímavější možností je, že jedna z kopií genu získá v důsledku mutace novou funkci. To se zhusta děje, stačí se podívat kupříkladu na jeden muší gen AbdB, na nějž připadá šestnáct lidských kopií. A ty zřejmě opravdu k něčemu jsou, vždyť do kulaté dvacítky (4×5 tandemových kopií) chybějí pouhé čtyři. Hmyzu určoval gen AbdB nejzazší konec zadečku, my jsme z něj vytřískali víc: nejčastěji slouží k určení osudu putujících buněk nervové lišty nebo k tvorbě končetin (k obému se ještě vrátíme).

Jak to máme my

Nyní se podívejme, jak je to u savců. Uvidíme, za co všechno vděčíme abnormalitě našeho Hox-komplexu.

Co Hox-geny dělají, nejsnáze zjistíme tak, že je vyřadíme z provozu. Tohle molekulární hackerství se rutinně používá při výzkumu vývoje octomilek – právě tak vznikají ony čtyřkřídlé mušky. Savčí Hox-mutanti nejsou sice tak názorní – zpřeházení segmentů je tu mnohonásobně překryto dalšími vrstvami těla – ale i tak se lze leccos dovědět. Myš s vyřazeným genem Hoxa-2 například místo lebečních kostí odvozených od druhého hltanového oblouku (mezi ně patří třmínek) vyvine ještě jednu sadu, byť neúplnou, kostí prvního oblouku (kladívko, kovadlinku, kosti bubínkové nebo šupinu kostí spánkových). Ty jsou často normálně velké, ale zrcadlově převrácené – tj. zadním koncem míří k čumáku a přiléhají jím k svým normálním protějškům. To je možné proto, že deriváty prvního žaberního oblouku vznikají bez přímého přispění Hox-genů a představují „zmrazené“ nastavení pro mnoho segmentů přední části obratlovce. A je na Hox-genech, aby přebily uspořádání těchto „univerzálních“ kostí a vtiskly příslušným úsekům jejich správný tvar. Nejzajímavější je, že jedna z nesprávných kostí mutantní myši se zablokovaným Hox-genem svůj zrcadlový předobraz nemá: jde o pterygokvadrátum – část horní čelisti, která se naposled objevuje u plazů. To, že si Hox-geny uzurpovaly lví podíl na vývojovém programu, umožnilo, aby si umlčené genové systémy pamatovaly nastavení z dávných časů (obrázek 3).

Bez zajímavosti nejsou ani naše končetiny. Zaprvé u všech obratlovců nevyrůstají ani náhodou na stejném místě (respektive tělním článku), což by bylo například u hmyzu považováno za skandál. Jednoduchými změnami v načasování činnosti některých Hox-genů si lze hrát s tím, po kolika obratlích se vytvoří lopatkové nebo pánevní pásmo – výtečný substrát pro evoluci. Další pozoruhodností je samotný způsob, jak se končetiny tvoří. Jsou definovány hlavně zadními Hox-geny komplexu A a D (vzpomeňme – všechno to jsou potomci AbdB), které se z původní role definování předozadní polohy přeškolily na polohu vzhledem k trupu přilehlou až odlehlou. Při troše velkorysosti lze tedy říci, že když geny formují vznikající končetinu, chovají se, jako by vznikalo další malé tělo (a jelikož je noha mnohem jednodušší než celé tělo, dají se na ní provádět různé zábavnosti – všelijaká zkracování, prohýbání, změny počtu prstů a tak).

V řadě případů savci s mutovanými nebo zablokovanými Hox-geny vůbec neodpovídají našemu očekávání. Odchylka od normálu je buď nepatrná, nebo se projevuje na těžko předpokládatelném místě, popřípadě postihuje míst několik. V čem ten trik vězí? Zatímco členovčí Hox-geny se uplatňují ve víceméně dobře ohraničených zónách (zjednodušeně řečeno jedné zóně aktivity určitého Hox-genu odpovídá jeden tělní oddíl), zóny exprese obratlovčích Hox-genů mají solidně vykreslenou jenom přední hranici a směrem k ocasu postupně odeznívají. Triviální rozdíl? Nikoli. Oblast definovaná prvním Hox-genem je pod jeho výlučnou nadvládou, zatímco ta další už přijímá signál od Hox1 i Hox2, třetí pak od Hox1, Hox2 a Hox3 atd.; Hox1 odezní až při nástupu Hox9. Zhruba na pomezí hrudní a bederní oblasti se tudíž setkávají vlivy dvanácti různých Hox-genů – a to mluvíme jenom o jednom ze čtyř Hox-komplexů (u ryb dokonce ze sedmi). Každá skupina adresovaných buněk se musí vyznat v Hox-kódu, který je dán různými koncentracemi produktů různých Hox-genů v daném místě. Pravda, něco takového známe i u členovců, ale zdaleka ne v tak propracované podobě. Jak už bylo řečeno, nejvyšší pestrost Hox-kódů panuje v bederní oblasti, kde přitom vzhledem k složitosti vyvíjejících se struktur nepůsobí tak nezbytně (vnitřní orgány se vytvářejí většinou podle jiných genových systémů). Naopak hlava, která je naší nejsložitější součástí, zůstává na základní Hox-úrovni programově nesmírně chudá (viz výše zmíněnou teorii radiální hlavy). Způsob, kterým tento problém řešíme, je pravděpodobně nejoriginálnějším vynálezem, se kterým obratlovci přišli. Celé skupiny buněk neurální lišty opouštějí místo svého vzniku v oblasti pokročilého Hox-kódování a putují do „zaostalejších“ krajin. Zhusta tedy končí právě v hlavě a tam formují krycí kosti, zuby nebo zobáky, stejně jako podstatnou část obratlovčích mozků.

Rostliny ve víru duplikací, Knox-geny a symetrické květy

Pokud jde o rostliny, je naše porozumění jejich ontogenezi odtažitější – docela logicky, jsme zvířata a i ten korál je přece jenom naší přirozenosti bližší a pro nás pochopitelnější. Přesto se odvážně rostlinami zabýváme a pomalu odkrýváme i jejich ontogenetická tajemství. Zdá se, že jeden z klíčů k pochopení evoluce ontogeneze rostlin spočívá v duplikacích genů a celých genomů rostlin. U zvířat nejsou duplikace genů zase tak běžné a rozsáhlé duplikace zahrnující podstatné části genomů se během jejich fylogeneze přihodily jen ojediněle. Rostliny v porovnání s nimi duplikují geny i celé genomy naprosto rutinně. Není to zase tak překvapivé, rostliny jsou modulární organizmy a mají nesrovnatelně jednodušší stavbu těla než kterékoliv zvíře. Srovnatelně razantní zásah do genomu se proto u rostlin často projevuje méně zhoubně než u zvířat, a tak jsou duplikace genů, duplikace celých genomů čili polyploidizace, ale taky například mezidruhová, ba i mezirodová křížení (tj. vznik potomstva, jejichž rodiče pocházejí z různých biologických rodů) u rostlin docela častou kratochvílí. Dokonce lze říci, že duplikace je zásadní vlastností genomů rostlin a její nejčastější příčinou je právě polyploidizace.

Nástup genomiky v posledních letech umožnil detailní analýzu struktury rostlinných genomů i příbuzenských vztahů mezi geny. Masivní duplikace jednotlivých genů a polyploidizace prostupují celou evoluční historií rostlin. Polyploidizace totiž v mnoha případech zásadním způsobem souvisí se vznikem nových druhů. Kromě zmíněné stavby rostlinného těla snad může být příčinou i fakt, že rostliny v rámci ochrany proti herbivorům produkují řadu účinných mutagenů (např. kolchicin), které mohou působit i na ně samotné. Rostliny také nedovedou spolehlivě manipulovat se svou tělesnou teplotou a často se setkávají s teplotním šokem, který občas – stejně jako kolchicin – blokuje stavbu dělicího vřeténka.

Polyploidní původ některých druhů rostlin bije do očí – stačí se podívat na počet a chování jejich chromozomů. Huseníček rolní (Arabidopsis thaliana, viz Vesmír 78, 256, 1999/5; 78, 254, 1999/5), po genetické stránce nejprozkoumanější rostlina světa, má jenom 5 chromozomů, tudíž jako polyploid zrovna nevypadá. Klame tělem, analýza kompletně sekvencovaného genomu překvapivě odhalila, že přes 60 % jeho obsahu vzniklo duplikací, což lze nejlépe vysvětlit dávnou polyploidizací. Ukazuje se, že huseníček i další dobře prozkoumaná rostlina kukuřice (Zea mays) jsou starobylé tetraploidy, a navíc lze v genomu huseníčku vytušit stopy ještě dávnějších polyploidizací. Je velmi pravděpodobné, že veškeré zelené rostliny spolu s mnoha zelenými řasami mají ve svém rodokmenu polyploidní předky. Minimálně tři čtvrtiny dnešních druhů rostlin vznikly v důsledku poměrně nedávných polyploidizací a je to na nich pořád ještě vidět.

Duplikace některých rostlinných genů měly přímé a dalekosáhlé evoluční následky. Zejména u regulačních genů je neštěstí hned hotovo. V současné době se intenzivně studuje kupříkladu evoluční historie Knox-genů, rodiny regulačních genů, které obsahují proslulou regulační homeodoménu stejně jako známější Hox-geny. Typickým představitelem je kukuřičný gen knotted1 (kn1), klíčový vývojový gen hrající roli při regulaci růstových pletiv (meristémů). V době, kdy rostliny dobývaly souš (zhruba před 430–475 miliony let), se Knox-geny duplikovaly a rozdělily se do dvou tříd (obrázek 4). Obě se podílejí na tvorbě a regulaci růstových pletiv. V evoluci zelených rostlin to byla klíčová událost. Cesta k dobytí souše byla volná. Zjistilo se, že se obě třídy Knox-genů vyskytují u mechů a sláva teď čeká na toho, koho napadne podívat se po Knox-genech v genomu zelených řas nejpříbuznějších zeleným rostlinám, například rodu Coelochaete nebo Chara.

Hezkým příkladem toho, jak duplikace genu u rostlin vedla ke vzniku evolučních novinek a ke speciaci, mohou být regulační geny Cycloidea (cyc) a Dichotoma (dich). Tyto geny vznikly v důsledku duplikace původně jednoho regulačního genu. V současnosti se oba podílejí na tvorbě nápadných souměrných květů hledíku (Antirrhinum) a mnoha dalších příbuzných druhů. Způsobují rozdíl ve velikosti a tvaru horních a dolních korunních plátků (obrázek 5). Vyřazení jednoho z nich příliš nemění situaci, zato vyřazením obou genů z činnosti získáte rostliny se spořádaně pravidelnými pětičetnými květy. To je původní stav předků této linie rostlin. Hledíky a další druhy čeledi krtičníkovitých (Scrophulariaceae) nevytvářejí souměrné květy jen tak zbůhdarma. Souměrnost květu láká specializované opylovače. Selekční tlak opylovačů udržel souměrné květy „při životě“ a zároveň pravděpodobně způsobil vznik mnoha nových druhů v rámci skupiny. Lze říct, že tato genová duplikace ve svém důsledku odpovídá za dnešní řádně pestrou diverzitu jedné vývojové linie rostlin. Celý jev má zřejmě obecnější charakter. K stejné situaci došlo nezávisle i jinde, například u rodu Streptocarpus v příbuzné čeledi Gesneriaceae.

Nic není, jak se zdá

Na příkladu paprskoploutvých ryb jsme viděli, že i tak masivní změny Hox-aparátu, jako je jeho zosmeronásobení a následné promazání, nemusí mít žádné na první pohled nápadné následky. Jiným, logicky obráceným případem jsou ostnokožci, kteří prodělali jednu z nejstrašnějších přestaveb tělního plánu, jakou u živočichů známe. Už v rané fázi vývoje se vzdávají dvoustranné souměrnosti ve prospěch pětičetné, čímž se mimo jiné připravují o hlavu. Bylo by hezké, kdyby k tomu došlo ruku v ruce s přestavbou Hox-komplexu. Bohužel i tato radiálně souměrná zvířata mají normální řetízek Hox-genů, respektující předozadní uspořádání, u ostnokožců neexistující.

Ani u rostliny neřekla duplikace genů a celých genomů své poslední slovo a lze se nadít mnoha dalších překvapení. Třeba u genů, které duplikaci tvrdošíjně odmítají (například huseníčkový Leafy), byť je to u rostlin tak snadné. Ale právě proto je zajímavé se na to ptát.

Na druhou stranu nesmí vzniknout dojem, že dívat se na evoluci přes rámec velkých změn v genomu, obzvláště v systému ontogenetických cest, není k užitku. Jenom zatím neznáme dost, abychom o tom mohli vyprávět bez nepříjemných zadrhnutí – anebo občasných pohádek.