Mechanizmus přenosu myšího t-haplotypu

Před časem jsem se zmínil o jevu, kdy se komplex genů na chromozomu 17. páru u myši domácí odmítá řídit pravidly fair-play a přenáší se do následující generace ve větší četnosti, než mu velí druhý Mendelův zákon (viz Vesmír 80, 86, 2001/2). Tento přednostní přenos se nazývá vychýlení transmisního poměru – a komplexu myších genů šířících se na úkor genů ostatních se říká t-haplotyp. Teprve nové poznatky o struktuře a vlastnostech tohoto komplexu genů poodhalují roušku, jíž byl molekulární mechanizmus přednostního přenosu zastřen.

Přednostní přenos je zprostředkován působením několika mutantních genů t-haplotypu (Tcd) na cílový gen označovaný Tcr. Jestliže se t-haplotyp vyskytuje na obou chromozomech 17. páru, je jejich nositel sterilní. Proč? Představte si, že byste chtěli svého soka vyřadit z boje zářením působícím na tkáň, jež je na toto záření mimořádně citlivá. Sami jste ovšem chráněni speciálním filtrem, který vám zajistí, že budete proti použité dávce dostatečně odolní. Jestliže váš protivník chráněn není, úspěšně se ho zbavíte. Zádrhel nastane, když sok použije stejnou zbraň – dvojité dávce záření už váš ochranný filtr čelit nedokáže. Podobně se v bratrovražedném boji obou 17. chromozomů stávají poraženými oba soupeři.

Kdy a proč se poměr přenosu vychyluje?

Příčiny přednostního přenosu musíme hledat buď v průběhu tvorby spermií, nebo při vlastním oplození. Jedním z možných vysvětlení byl abnormální vývoj či degenerace spermií nesoucích nemutantní formu t-komplexu. Další možností bylo, že spermie nesoucí t-haplotyp se oproti svým konkurentkám buď rychleji pohybují, nebo lépe pronikají do vajíčka. Ukázalo se, že pravda je někde uprostřed.

Výsledky experimentů v devadesátých letech prozradily, že některé spermie samců, kteří mají jeden chromozom normální a jeden t-chromozom, vynikají bičíkem umožňujícím zvýšenou pohyblivost. Protože se ale nepohybují přímočaře, jejich schopnost oplození je téměř nulová. Ještě horší je abnormální funkce spermatického bičíku u spermií samců, kteří mají dva t-chromozomy – takové spermie se nemůžou pohybovat, protože jejich bičíky jsou zkroucené.

Dalším důležitým mezníkem v pátrání po mechanizmu přednostního přenosu komplexu genů bylo zjištění, že spermie obsahující t-haplotyp s cílovým genem Tcr, avšak s odstraněnými vychylujícími geny se přenášejí pouze v 10–30 procentech (místo běžných 50 procent), zatímco v přítomnosti vychylujících genů dosahuje přenos až 99 procent (viz obrázek 1). Navíc se ukázalo, že vychylující geny působí na „protější“ chromozom (jsou trans-aktivní), kdežto cílový gen působí na svůj vlastní chromozom (je cis-aktivní). Cílový gen tedy hraje mnohem důležitější roli, než se vůbec kdy předpokládalo.

Co je na působení cílového genu na vlastní chromozom pozoruhodné? Vývoj jedné spermie neprobíhá izolovaně od ostatních spermií. Po sérii normálních buněčných dělení (mitóz) a jednom redukčním buněčném dělení (meióze) vznikají z původních buněk nezralé pohlavní buňky. Teprve během složitého diferenciačního procesu se z těchto buněk vytvářejí plnohodnotné spermie. Buňky vzniklé dělením jedné původní buňky se však od sebe zcela neoddělí, zůstanou spojeny cytoplazmatickými můstky. Tím vznikne soubuní (syncytium), v němž mohou všechny procesy probíhat synchronně.

Hledání kandidáta na gen, který za to může

Dlouho nebylo jisté, zda cílový gen je skutečně „gen“, nebo pouze krátký nekódující úsek DNA. Identifikace cílového genu se proto stala prvořadým cílem odborníků zabývajících se myší genetikou. Tento úkol je ovšem vinou zvláštní struktury t-haplotypu mimořádně obtížný. Hledání kandidáta na tento gen se podobalo detektivnímu pátrání. Postupně se hledaná oblast zúžila přibližně na 155 tisíc bází a z ní byly dále vylučovány geny, které nevykazovaly předpokládané vlastnosti.

Průlom přinesl koncem devadesátých let výzkum Bernharda Hermanna a jeho kolegů z Imunologického ústavu Maxe Plancka ve Freiburgu. Výsledek byl více než zajímavý. Hermannův tým totiž v oblasti předpokládaného výskytu cílového genu identifikoval mutantní gen vzniklý fúzí dvou kinázových genů ovlivňujících pohyb spermatického bičíku. Jeden z nich se jmenuje Smok (z anglického označení sperm motility kinase). Je-li tento gen mutantní (Smok^Tcr), je jeho aktivita přibližně desetkrát nižší než aktivita původních, nefúzovaných kinázových genů a aktivní je pouze u t-haplotypů vykazujících vlastnosti cílového genu. Navíc k vyjádření (exprimaci) tohoto genu dochází až v pozdních fázích diferenciace zralé spermie. Tím je omezena migrace RNA nebo proteinů mezi zrajícími spermiemi přes cytoplazmatické můstky. Totožnost mutantního kinázového genu s genem cílovým byla potvrzena experimentálně tím, že byl přenesen na normální 17. chromozom. V prostředí bez vychylujících genů byla frekvence jeho přenosu do další generace nižší než 50 procent, zatímco v prostředí t-haplotypu s vychylujícími geny byl jeho přenos vyšší než 50 procent.

Podle Hermanna a jeho kolegů je tedy mechanizmus přednostního přenosu t-haplotypu následující. Nemutantní kinázový gen Smok normálně fosforyluje některé proteiny, z nichž je bičík spermie složen. Společný účinek několika vychylujících genů způsobí fosforylaci zvýšenou až na kritickou mez. Výsledkem je hyperaktivní nekoordinovaný pohyb, který spermii znemožňuje dosáhnout vajíčka. Naopak mutantní kinázový gen svou nízkou aktivitou nadměrnou aktivitu bičíku utlumí přibližně na normální úroveň (viz obrázek 2). Důsledkem je přednostní přenos mutantních spermií do další generace. Dvojnásobný účinek mutantních genů na jedince s dvěma t-chromozomy ovšem tuto ochrannou bariéru překonává – vznikají spermie se zkroucenými bičíky a samec je neplodný.

Kolik genů působí přednostní přenos?

Dosud neznáme totožnost cílových genů způsobujících nadměrnou aktivitu nemutantního kinázového genu Smok. Bylo navrženo několik kandidátů, z nichž někteří mají souvislost se stavbou a funkcí bičíku. Jeden z nich například kóduje řetězec bílkoviny tvořící základní stavební složku eukaryotických bičíků – dynein. Poznání podstaty cílových genů by mohlo odpovědět na otázky: Je sterilita samců se dvěma t-chromozomy 17. páru skutečně způsobena týmiž geny, které způsobují přednostní přenos genů? Kolik genů pro přednostní přenos genů (a tedy i pro sterilitu) existuje? Nevznikly geny způsobující deformaci bičíků a neschopnost proniknout do vajíčka až v pozdějších fázích evoluce t-komplexu?