O polidštění rostlinných telomer

Jedno irské přísloví říká, že málokdy je konec jednoho horší než začátek druhého. Platí to zřejmě i pro začátky a konce lineárních chromozomů, telomery. Jejich DNA je totiž zpravidla tvořena mnohonásobným opakováním krátkých sekvencí, jako je např. TTAGGG u člověka a jiných obratlovců nebo TTTAGGG u huseníčku (Arabidopsis thaliana) a dalších modelových rostlin: tabáku, rajčat, rýže, kukuřice. Na telomerovou DNA je navázána řada proteinů – jednak specifických pro telomery, jednak obecně se vyskytujících v chromatinu (např. histony). Telomerové proteiny vytvářejí spolu s DNA zvláštní ochrannou strukturu, která přirozené konce chromozomů odlišuje od neopravených chromozomálních zlomů. A protože jsou telomery spojeny jednak s buněčným stárnutím, jednak se vznikem rakoviny (viz Vesmír 80, 392, 2001/7 a Vesmír 80, 443, 2001/8), je jejich výzkum neobyčejně lákavý.

Donedávna byly telomery považovány za velmi konzervativní oblasti chromozomů, v nichž je sice běžná změna délky (tj. počtu opakování základní sekvenční jednotky), ale velmi vzácné změny v sekvenční jednotce. U většiny organizmů totiž zajišťuje prodlužování telomer enzym telomeráza, a to prostřednictvím zpětného přepisu (reverzní transkripce). Jako vzor pro přepisování do telomerové DNA slouží telomeráze krátká část její vlastní RNA-podjednotky, zatímco katalytickou aktivitu má její proteinová podjednotka.

Předpokládalo se, že by mutace telomerázy měnící sekvenci telomer vážně ohrozily jejich funkci, a tím celý organizmus. Nedávno se ale ukázalo, že řada jednoděložných rostlin z řádu chřestotvarých (Asparagales) typické rostlinné telomery vůbec nemá, a přitom bylo jasné, že nějaké telomery mít musí.

Rozcestí v evoluci telomer a telomeroví disidenti

Jako první ze skupiny telomerových disidentů v rámci řádu Asparagales byla popsána cibule kuchyňská (Allium cepa). Nebyly u ní nalezeny ani typické rostlinné telomerové sekvence, ani varianty telomerových sekvencí popsané u jiných organizmů. Vůbec nebyla zjištěna aktivita telomerázy. Zdálo se, že telomery cibule jsou tvořeny úplně jiným typem sekvencí, například dlouhými repeticemi, které se mohou prodlužovat pomocí homologní rekombinace a replikace mechanizmem valivé kružnice (viz obrázek 1). Pro funkci tohoto mechanizmu je důležité pouze opakování sekvenčně podobných úseků DNA tvořících telomeru, aby se mohly navzájem párovat (což je podmínkou homologní rekombinace). Tento mechanizmus však není závislý na délce opakované sekvenční jednotky, může fungovat jak na krátkých telomerových opakovaných sekvencích (které produkuje telomeráza a o nichž je známo, že mohou tvořit telomerovou smyčku), tak na dlouhých opakovaných sekvencích (s jednotkou opakování o délce stovek párů bází). Rekombinačním mechanizmem je možné buď rychle telomery prodloužit (obr. 1, C–D), nebo rychle zkrátit vyštěpením telomerové smyčky za vzniku telomerového kroužku a zkrácené lineární telomery (obr. 1E).

Otázka syntézy telomer u cibule a ostatních druhů rodu Allium sice zatím není vyřešena, ale nezávislost nějakého druhu organizmu na telomeráze není již dnes sama o sobě příliš překvapivá. Příklady byly popsány u hmyzu, u kvasinek, a dokonce i u některých typů lidských nádorových buněk. O čem se ale nyní docela intenzivně diskutuje, je otázka původu telomer a telomerázy a také další směřování jejich vývoje. Příspěvkem do této diskuse mohou být např. výsledky získané v rámci naší rozsáhlé studie telomer u řádu Asparagales. Ukázalo se, že evoluce této skupiny rostlin šla nejméně přes dvě rozcestí (viz obrázek 2).

První rozcestí

Na prvním rozcestí, před 80–90 miliony let, se sice ztratily telomery typu huseníčku (Arabidopsis), nejspíš v důsledku mutace telomerázy, ale nešlo o skutečnou ztrátu, nýbrž o náhradu těchto sekvencí jiným typem, který je typický pro člověka a ostatní obratlovce. Tak vznikla velká skupina rostlin s lidským typem telomer, čítající dnes přes 6000 známých druhů. Nejsou to přitom žádné exotické rostliny. Na procházce jarní přírodou se můžeme setkat se sněženkou či bledulemi, v mnohé zahrádce se najdou kosatce, modřence nebo hyacinty, v kancelářích zas dracena či zelenec. Dalšími důvěrně známými rostlinami s lidským typem telomerické sekvence jsou například chřest, agáve nebo aloe. Možná tyto rostliny představují jedinečnou šanci jak zkombinovat výzkum regulace lidských telomer s výhodami práce na rostlinách. Mezi tyto výhody patří například množství produktů sekundárního metabolizmu u rostlin, z nichž některé brzdí účinek telomerázy, a mohly by tedy být využity k potlačení nesmrtelnosti nádorových buněk. Dalšími výhodami je přirozená schopnost rostlinných somatických buněk dát vznik celé rostlině a schopnost tkáňových kultur neomezeně růst, aniž jsou k tomu donuceny onkogenním virem či jiným zásahem do genomu.

Z pohledu základního výzkumu je zase zajímavé zjistit, jak rychle a úspěšně se adaptovaly na změnu telomerové DNA proteiny, které konceji rozpoznávaly, takže telomery zůstaly funkční. Podpůrné údaje lze najít v proteomu těch rostlin, kde vedle proteinů specificky rozpoznávajících současný (lidský) typ telomerových sekvencí najdeme i proteiny specifické pro původní sekvence typu huseníčku, popřípadě proteiny schopné vázat oba typy sekvencí. Další nepřímá svědectví o událostech spojených s touto evoluční změnou nacházíme v genomech v podobě zbytků původních telomerových sekvencí, a to buď přímo v telomerách, nebo v podobě sekvencí rozptýlených po genomu. Takové rozptýlené vmezeřené sekvence bývají důsledkem přeuspořádání genomu po chromozomálních fúzích, k nimž mohlo dojít v důsledku přechodné ztráty ochranné funkce telomer.

Druhé rozcestí

Na druhé rozcestí se evoluce telomer řádu Asparagales dostala u předchůdců dnešního rodu Allium, jehož typickým představitelem je cibule kuchyňská. Zatímco prvním rozcestím prošla telomeráza vítězně jen za cenu změny syntetizované sekvence, druhá křižovatka se jí stala osudnou. Funkci telomerových sekvencí zřejmě převzaly dlouhé opakované sekvence, původně uložené pod telomerami směrem dovnitř chromozomu, a nástroje k zvýšení počtu kopií těchto sekvencí začaly zkracující se konce chromozomů zase doplňovat.

Také u některých zástupců rodu Allium je možno pozorovat pozůstatky lidského typu telomer v podobě vmezeřených sekvencí, jež jsou němými svědky procesů spojování a lámání chromozomů. Něco takového se zřejmě dělo krátce po ztrátě telomerázy a ochranné funkce telomer. Také zde byly nalezeny proteiny rozpoznávající telomerové sekvence lidského typu nebo typu Arabidopsis, který tomu lidskému v evoluci předcházel.

Po ztrátě systému založeného na telomeráze musel být u předchůdce dnešního rodu Allium nový mechanizmus ustaven v poměrně krátkém časovém okně (několika málo generací), dříve než došlo ke kritické ztrátě telomer, zastavení buněčného dělení a zániku organizmu. To vyvolává opodstatněné pochyby, že by se tento systém, a zejména jeho souhra s proteinovými složkami telomer, mohly vyvinout znova. Spíše šlo o aktivaci nebo využití již existujícího mechanizmu. Tím by mohlo být právě propojení homologní rekombinace s replikací mechanizmem valivé kružnice. Nasvědčovalo by tomu i to, že telomerové kroužky – meziprodukty tohoto způsobu prodlužování telomer (viz obrázek 1) – byly nalezeny u širokého spektra organizmů řešících syntézu telomer bez účasti telomerázy. Patří k nim jak některé lidské nádorové linie, jež využívají alternativní prodlužování telomer, tak např. kvasinka Candida parapsilosis s telomerami na lineárních mitochondriálních chromozomech. Dokonce se zdá, že existence telomerových smyček a kroužků je rozšířena obecněji než telomeráza.

Vývojová ulička nemusí být slepá

Ztráta telomerázy tedy nemusí znamenat slepou uličku v rámci fylogeneze, možná je jen návratem k starým osvědčeným praktikám. Vedlejším produktem chaosu, který doprovází u řádu Asparagales změny v sekvenci telomer (na prvním rozcestí), nebo v mechanizmu jejich syntézy (na druhém rozcestí), jsou pak změny počtu a velikosti chromozomů, popř. jiné radikální přestavby genomu. Ty představují velkorysý experimentální styl evoluce, která neváhá jít přes mrtvoly.

Tento výzkum je podporován projekty GA ČR 204/04/P105 a 521/05/0055, GA AV ČR IAA600040505, a institucionálními prostředky MSM0021622415 a AV0Z50040507.