Skákající geny

Každé buněčné jádro nesoucí genetickou informaci je neustále bombardováno „nesmyslnou genetickou poštou“, která se nahromadila během milionů let evoluce. Podstatnou část genomu všech vyšších organizmů představují kopie „skákajících genů“ – transpozonů a retrotranspozonů (viz též Vesmír 79, 273, 2000/5). Ty se v genomu pohybují, kopírují se, vkládají se do genetických „poštovních e-mailových schránek“, a tím se „odesílají“ příštím generacím. Máme je považovat za nevyžádanou poštu typu internetového spamu, nebo mají nějakou funkci?

Historie skákajících genů začala před 60 lety a je spojena se jménem Barbary McClintockové, Američanky malého vzrůstu, avšak o to větších myšlenek (viz Vesmír 80, 392, 2001/7). Její objev začal – podobně jako objevy Mendelovy – pečlivým pozorováním rostlin na poli. Namísto Mendelova hrachu si ale pro své studium vybrala kukuřici, což byla velmi šťastná volba. Popsala změny ve štěpných poměrech vlastností, jako je barva kukuřičného zrna, které se odchylovaly od běžného pohledu na neměnný genom. Tak objevila kontrolní elementy způsobující přeskupování genetické informace. Její objev byl natolik nový, že trvalo několik desetiletí, než byl přijat, a v roce 1983 dokonce oceněn Nobelovou cenou.

Přesto byly donedávna skákající geny pokládány za nepotřebné opakující se části genomu, vlastně odpad. Z pohledu laika a dosud i mnoha odborníků jsou za nejpodstatnější oblasti genomu považovány geny kódující funkci. Počet předpovězených a identifikovaných genů v sekvenačně prostudovaných organizmech se pohybuje od 10 do 40 tisíc. Uvážíme-li, že skákající geny představují většinu genetické informace téměř všech žijících organizmů, bylo jen otázkou času, kdy bude opona jejich funkce poodhalena. Ten čas nastal – a je třeba se na tyto části DNA podívat z pohledu aktivních hráčů evoluce. Vždyť možná právě aktivita skákajících genů je odpovědná za vývoj neuronů v našem mozku a individualitu každé lidské osobnosti (Nature 435, 903–910, 2005). Vyplnila by se tak předpověď B. McClintockové, že právě tyto pohyblivé elementy působí vývojové rozdíly mezi jedinci daného druhu.

„Bezobsažná“ DNA

Skákající geny byly nejprve považovány za „sobeckou DNA“, schopnou množit se v genomu, avšak ničím se neprojevující (neovlivňující fenotyp). Zdálo se, že skákající geny jsou aktivní jen proto, aby si zajistily vlastní existenci a byly – díky hostitelskému organizmu – předány do dalších generací. Vycházelo se z předpokladu, že v evoluci nejsou objektem selekce jedinci, tím méně populace či druhy, ale pouze alely jednotlivých genů, jak to v roce 1976 napsal R. Dawkins v Sobeckém genu (viz např. Vesmír 77, 67, 1998/2, Vesmír 78, 218, 1999/4 ad.). V tomto pojetí byly skákající geny – transpozony – považovány buď za nitrobuněčného neinfekčního parazita, nebo za „bezobsažnou DNA“.

Prastaří souputníci genomů…

Skákající geny provázejí živé organizmy již stamiliony let. V mnoha směrech je lze považovat za pozůstatky prvotního „světa RNA“. Je až s podivem, jak dlouho byla jejich existence přehlížena, uvážíme-li, že u rostlin mohou tvořit až 90 % genomu (běžně kolem 50 %). Reverzní transkriptáza, která zprostředkuje přepis RNA zpět do molekuly DNA a je potřebná pro replikaci retrotranspozonů (viz rámeček 2 ), je jedním z nejstarobylejších enzymů. Vyskytuje se již u nejprimitivnějších organizmů. Přítomnost aktivní reverzní transkriptázy může vést k přepisu a zpětnému vložení RNA aktivního genu za vzniku retropseudogenu. Není tedy překvapující, že v našem genomu existuje několik desítek retropseudogenů ß-tubulinu, aktinu, cytochromu, lamininu apod. Dá se říci, že čím hojnější přepis (transkript), tím větší je pravděpodobnost zpětného přepisu do DNA. Ani tyto „vedlejší produkty“ ale nejsou evolučně bezcenné. ¹⁾ V lidském genomu bylo nalezeno 4000 retrokopií genů, z nichž 700 může být funkčních. Podrobně prozkoumáno jich zatím bylo sedm, konkrétně ty, které jsou aktivní a potřebné pro vývoj spermií, neboť nahrazují nefunkční geny samičího chromozomu X. Díky reverzní transkriptáze, kterou v daném případě poskytují skákající geny, se můžeme rozmnožovat.

Zaměřím se na ekologii genomu, ²⁾ tj. na vztahy pohyblivých elementů DNA s hostitelem a jejich ovlivňování genotypu, a tedy i fenotypu hostitelských organizmů.

…nebo paraziti, kteří genomu ubližují?

Evoluce genomu je uskutečňována mnoha procesy, jež zahrnují zlomy chromozomů a následné spojování s jinými chromozomy, duplikace genů a celých segmentů, přesun funkčních domén exonů atd. Z pohledu evolučních biologů, hledajících objasnění daných znaků organizmu na základě adaptace, jde o selekci zdatnějších jedinců. Lze se tak ale dívat na existenci pohyblivých elementů DNA v daném genomu? Nesnižují naopak životaschopnost, uvážíme-li, jak vysoká je pravděpodobnost vkládání nových pohyblivých elementů DNA? Na první pohled se zdá, že opravdu snižují. Vysoký počet kopií pohyblivých elementů organizmus metabolicky zatěžuje a tak snižuje jeho životaschopnost. A asi proto je silně redukována (nebo úplně chybí) pohyblivá DNA v kompaktních genomech jednobuněčných prokaryont (bakterií) a některých nižších eukaryont (třeba kvasinek).

Je prokázáno, že vzájemné působení mezi pohyblivými elementy a zbytkem genomu může být podobné vztahu mezi parazitem a jeho hostitelem. Navíc ovšem jsou tyto elementy ve vzájemném vztahu mezi sebou. ³⁾

Evoluce ve formě mutací působí i na pohyblivé elementy a díky tomu jsme schopni odhadnout časový sled přesunů. Jak dlouho to trvá, než mutace zabrání přeskoku elementů, popřípadě omezí produkci elementů dceřiných? Mutační vyřazení retrotranspozonů se odhaduje zhruba na 5–10 milionů let. ⁴⁾ Přestože zkoumané organizmy existují již mnoho desítek až stovek milionů let, nejstarší zjištěné retroelementy nejsou starší než 30 milionů let. Paradox se vysvětluje tím, že jsou retroelementy z genomu aktivně odstraňovány a že se rozdíly mezi nimi a okolní DNA stírají právě hromaděním mutací.

Rostliny se v míře zastoupení pohyblivých elementů DNA od živočichů velmi liší. Genomy vyšších rostlin, především pak evolučně nejúspěšnějších trav, jsou zřejmě v důsledku dávných polyploidizačních událostí (znásobení celého genomu) veliké, tudíž „unesou více inzercí“, aniž je „vymazána“ genetická informace. Druhým (pravděpodobně závažnějším) důvodem je rozdíl v tvorbě kmenových zárodečných buněk – u rostlin vznikají pořád, ne jenom v období embryogeneze. U živočichů navíc v tomto období působí v kmenových zárodečných buňkách ochranné mechanizmy, jež možnost mutací omezují. Naproti tomu u rostlin se zárodečné buňky formují v dělivém pletivu (meristému) až po určité době růstu – a některé dlouhověké stromy rostou i tisíce let. V důsledku toho se mutace hromadí bez omezení, avšak mutované dělivé pletivo (meristém) může být nahrazováno.

Předpokládá se, že z pohledu evoluce je výhodnější, když je skákající gen aktivní v zárodečných buňkách (spermiích, vajíčkách), popřípadě v kmenových buňkách, tedy spíše v počátcích vývoje než v pozdějších diferencujících se somatických buňkách. Tento předpoklad ale neplatí všeobecně, například savčí pohyblivý element LINE 1 je aktivní během vývoje neuronů. Vzrušující je představa, že kopie nejsou vkládány náhodně, a tím by mohl být ovlivněn vývoj neuronů, a snad dokonce i lidské osobní vlastnosti.

Proč se pohyblivé elementy nehromadí donekonečna?

Je pravděpodobné, že si pohyblivé elementy během dlouhé doby své existence vyvinuly samoregulační mechanizmy, podobně jako si třeba parazit „šetří“ svého hostitele (viz Vesmír 83, 108, 2004/2). Genetická informace obsažená v genomu je přece poškozována již samotným přemístěním elementů, metabolickou zátěží spojenou se zdvojením (replikací), přepisem (transkripcí) a přestavbami nukleotidových sekvencí (rekombinací).

Velmi provokující je hypotéza, jež spojuje škodlivost pohyblivých elementů s vymřením nepohlavních forem. Evoluční výhodou sexuality mohla být schopnost kontrolovat hromadění škodlivých pohyblivých elementů DNA pomocí splynutí dvou odlišných rodičovských genomů a kontroly životaschopnosti jednotlivých gamet během redukčního dělení. V opačném případě by byl genotyp mající pohyblivé elementy „překonán“ zdatnějším organizmem bez těchto elementů. Tomu dobře odpovídá fakt, že všechny eukaryotické organizmy mající množství pohyblivých elementů DNA jsou sexuální, a naopak jednobuněčné organizmy, kde průběh replikace DNA často určuje jejich schopnost soupeření, většinou pohyblivé elementy nemají nebo jich mají málo. Na druhou stranu kompaktní genom jednobuněčných organizmů neposkytuje dost volnosti k „neškodným“ inzercím. Je však třeba zmínit, že již bakterie vykazují radikální formu „pansexuality“ a využívají viry i plazmidy (pohyblivé genetické elementy) pro přenos celých genů, v extrémním případě i mezi druhy.

Existuje nějaká rovnováha mezi hostitelským genomem a počtem pohyblivých elementů? V určení „ceny“ dalších kopií elementu je opět důležitá selekce velikosti „volného místa“ v genomu hostitele. Někdy se pohyblivé elementy přednostně přemísťují do elementů již existujících. Tak vznikají útvary, které poněkud připomínají ruské matrjošky. Paradoxně vede tento proces k účinné inaktivaci elementu, a tím se předejde škodlivé inzerci. Zdá se, že menší velikost elementu, snižující možnost odstranění prostřednictvím rekombinace, zvyšuje pravděpodobnost jeho dlouhodobější existence v hostitelském genomu.

Síla selekce vzroste, jestliže počet a vznik nových kopií začne být na úkor hostitelovy životaschopnosti. Selekce vyplývá z přítomnosti elementů samotných – z roztroušených shodných (homologních) sekvencí náchylných k rekombinacím. Naprostá většina elementů DNA se dnes nachází v nekódujících mezigenových oblastech. Pro názor, že neexistuje jen „jednosměrná cesta“ k „přecpání“ genomu, svědčí též převaha neúplných retrotranspozonů, a především samotných dlouhých koncových repetic (LTR). Hostitelova obrana využívá mechanizmy interference RNAi, která umlčuje vyjádření genu po přepisu, a metylace DNA.

Víme, že 99,9 % všech dosud existujících druhů během vývoje vymřelo, ale nevíme, jaký vliv měla selekce na genom přežívajících druhů. O možném vlivu pohyblivých elementů DNA během evoluce můžeme zatím jen spekulovat. Životní cyklus pohyblivých elementů DNA nejspíš prochází fázemi pomnožení (bývá přisuzováno genomovému stresu), inaktivace a degradace. Po milionech let vývoje se nachází většinou ve stavu rovnováhy, která je narušována jen v případě nových druhů vzniklých křížením, popřípadě v podmínkách stresu. Jejich počáteční aktivita je ovšem záhy omezena a vložené elementy zase postupně odstraněny.

Prospívají pohyblivé elementy DNA svému hostiteli?

Dosud jsme hovořili spíše o „parazitickém“ chování pohyblivých elementů. Dnes však existuje mnoho příkladů pozitivního působení, a další nejspíš teprve čekají na své objevení. Leckteré elementy organizmus převzal a přizpůsobil se jim. Například geny RAG se podílejí na spojování imunoglobulinových genů a umožňují pružnost imunitní odpovědi. U octomilky, která nemá telomerázu, nahrazují pohyblivé elementy DNA funkci telomer.

Jestliže adaptivní využití pohyblivých elementů vytváří genetickou rozmanitost, nepřekvapí nás, že mnohé z nich jsou aktivovány stresem. Při stresu navozeném faktory vnějšího prostředí zřejmě hostitel pohyblivé elementy využívá. S myšlenkou evoluční výhodnosti pohyblivých elementů DNA při náhlém genomovém stresu, vyvolaném rychlou změnou vnějších podmínek, ostatně přišla již jejich objevitelka B. McClintocková.

Evoluce rozrůznění genomu při stresu prostředí se studovala na mnoha rostlinách a živočiších, především v podmínkách evolučních hotspots neboli horkých míst (viz Vesmír 77, 677, 1998/12, Vesmír 84, 30, 2005/1 ad.). Genetická rozrůzněnost a druhová pestrost je většinou výrazně větší na lokalitách, které jsou samy o sobě různorodé a vystavené většímu stresovému působení. V podmínkách větší zátěže prostředí byla větší aktivita retrotranspozonů, a tedy i velikost genomu. Téměř „mičurinsko-lysenkovským“ příkladem působení prostředí na změnu genetické informace jsou genotrofy, popsané u lnu setého. Jde o dědičnou změnu fenotypu, která je vyvolána změnami v genomu. Spojitost s pohyblivými elementy DNA byla prokázána teprve nedávno. Vložení pohyblivých elementů do kódujících oblastí genů pravděpodobně přeruší funkci daného genu. Ne všechny inzerce však musí být škodlivé, existují i pozitivní příklady. Uvažuje se o možnosti, že se prostřednictvím elementů DNA přesouvají exony, a tím vzniká nový genový produkt. Tak byly možná přemístěny celé kódující oblasti. Vložení do regulačních oblastí genů se zdá být poměrně časté a jsou popsány případy, kdy inzerce změní tkáňovou specifitu či časový průběh vyjádření daného genu. Zdá se, že retrotranspozony hrály důležitou úlohu při formování promotorů a oblastí zesilovačů. Jedna z hypotéz předpokládá původ intronů (nekódujících úseků uvnitř genů) z pohyblivých elementů DNA, jež byly vloženy do samotných genů až dodatečně, neboť v současnosti introny často oddělují od sebe funkční domény, což vyúsťuje ve stavebnicový charakter proteinů. Přeskupení těchto domén například aktivitou pohyblivých elementů DNA nejspíš umožnilo adaptivní radiaci eukaryot zvýšením evolučního potenciálu. Sám mechanizmus sestřihu intronů se zdá být tohoto původu. Vložení pohyblivého elementu do nekódujících, intronových částí má mnohem větší šanci uniknout selekci než inzerce do kódujících oblastí, existují avšak doklady o změně vyjádření takto postižených genů. V neposlední řadě samotná přítomnost homologických sekvencí pohyblivých DNA elementů roztroušených v genomu zvyšuje úroveň rekombinací a následně opět proměnlivost.

Umožnily „skákající geny“ oddělení člověka od ostatních primátů?

Zmínil jsem již dva navzájem spojené elementy, a to LINE 1 a Alu. Právě autonomního elementu LINE 1 (který je společný všem savcům) obsahuje lidský genom kolem 100 aktivních vkladů, z nichž některé jsou nakonec patogenní. Nejméně jeden z 50 lidí vlastní novou odlišnou inzerci LINE 1, jež vznikla již v rodičovských zárodečných buňkách. Na druhou stranu neautonomní element Alu (krátký element, SINE) se vyskytuje nejméně v 1 milionu kopií (což představuje 10 % lidského genomu) a vložené elementy způsobují nejméně 20 známých genetických nemocí. Tento dramatický nárůst proběhl asi před 40 miliony lety. Studium podskupin elementu Alu přispělo jak k objasnění společného předchůdce člověka, šimpanze a gorily před zhruba 10 miliony lety, tak ke studiu lidské diverzity na úrovni kontinentů i malých populací (např. indických kast).

Vzhledem ke své početnosti, nevratnému včlenění do genomu, nízké náchylnosti k rekombinacím aj. představují pohyblivé elementy ideální nástroj pro molekulární systematiku. Včlenění krátkých elementů do přesně stejného lokusu ve dvou nepříbuzných liniích nebo vystřižení z genomu bez zjistitelné stopy jsou tak nepravděpodobné, že pro praktické použití mohou být ignorovány. Jestliže se dva druhy shodují ve vložení stejného pohyblivého elementu, je téměř jisté, že tento znak zdědily od společného předka. Při shodě jiných typů molekulárních znaků, například nukleotidových substitucí, delecí a inzercí, toto neplatí, neboť ke stejným nukleotidovým mutacím může u dvou druhů dojít nezávisle na sobě. Lze očekávat plný rozkvět a využití těchto možností. Existují elementy specifické pro druh, rod, čeleď či řád. Ovšem to pravé překvapení a objevování nás teprve čeká, až poznáme celý genom některých z organizmů z těchto vyšších taxonů. Ta doba ani nemusí být tak vzdálená.

Pohyblivé elementy DNA hrály a hrají důležitou úlohu při formování genomů, při kterém se pohybují mezi parazitickými a symbiotickými partnery. Dávají tedy genetické informaci dynamickou strukturu. Dosud nevíme, jestli je jejich přítomnost nezbytná či alespoň prospěšná pro fungování genomu a celého organizmu. Je docela dobře možné, že „skákajícím genům“ vděčíme za oddělení od primátů, následný vývoj a intelekt, který nám umožňuje studovat svět kolem nás.