Aktuální číslo:

2018/2

Téma měsíce:

Bionika

Promiskuitní DNA

Stěhování genů z organel do jádra
 |  15. 3. 2007
 |  Vesmír 86, 179, 2007/3

Genetická informace je v eukaryotických buňkách uložena nejen v jádře. Svou vlastní DNA obsahují také malé buněčné organely – mitochondrie a chloroplasty. Podle endosymbiotické teorie se tyto organely kdysi vyvinuly z volně žijících bakterií a z doby svého vzniku si uchovaly zbytky genetické informace (viz Markoš A.: Třicet let endosymbiotické teorie, Vesmír 78, 208, 1999/4).

Pozůstatky prokaryotických genomů

Primitivní buňka, buď prokaryotická, nebo již eukaryotická, 1) přijala nejprve bakterie, 2) a z nich se vyvinuly mitochondrie. Poté tato buňka, tehdy zřejmě bičíkatá, přijala další bakterie, 3) které daly vzniknout chloroplastům. Tyto organismy stály u zrodu říše rostlin. Během evoluce se organelové genomy drasticky zmenšily. Zatímco prokaryotičtí předchůdci organel měli genomy o milionech bází, genomy organel jsou o jeden až dva řády menší (obrázek 1). Průměrný chloroplastový genom má velikost kolem 150 kilobází, mitochondriální genomy živočichů mívají desítky kilobází (ten lidský má 16,6 kilobáze a obsahuje 37 genů), rostlinné mitochondriální genomy jsou podstatně větší a dosahují stovek až tisíců kilobází. Spolu s redukcí velikosti genomů klesl počet genů v genomech organel, z původních několika tisíc genů kódujících proteiny jich zbylo několik desítek, nanejvýš několik set. Některé linie chloroplastů ztratily více než 95 % genů, tj. sekvencí kódujících ve volně žijících sinicích proteiny a různé typy RNA. Kam se ztracené geny poděly?

Objev promiskuitní DNA

Dříve se badatelé domnívali, že genetické systémy eukaryontních buněk – dva u živočichů (jádro a mitochondrie) a tři u rostlin (jádro, mitochondrie a chloroplasty) – jsou oddělené a každý si jde svou evoluční cestou. Na počátku osmdesátých let však vědci objevili chloroplastové geny v mitochondriálním genomu. Bylo jasné, že se tam musely dostat přenosem genů mezi organelami. Některé úseky chloroplastové DNA byly dokonce v mitochondriálním genomu obsaženy vícekrát, což svědčilo o vícenásobném přenosu. Tehdy vznikl termín „promiskuitní DNA“, označující přenos DNA mezi buněčnými genomy. Objev promiskuitní DNA vyvolal řadu otázek – zda se také mitochondriální geny mohou nacházet v chloroplastech, jak daleko tato promiskuita DNA vůbec může jít, zda něco podobného může nastat i u vyšších organismů, například u člověka a jeho symbiotických organismů, či dokonce u nesymbiotických patogenních organismů. Výsledky sekvencování celých genomů dnes již jasně ukazují, že přenos genů organel do jádra je všudypřítomný a vyskytuje se častěji, než jsme si dříve dokázali představit.

Proč se geny přesouvají do jádra?

Prokaryotičtí předchůdci organel byli původně sexuální, a poté, co vstoupili do buňky a uzavřeli endosymbiotické partnerství, se od ostatních jedinců svého druhu izolovali, začali být asexuální. Víme, že nepřítomnost sexuality vede k hromadění škodlivých mutací. Nefungují totiž opravné mechanismy na bázi rekombinace DNA, které spočívají v opravě poškozených kopií genů podle kopií nepoškozených. Selekční tlak kromě toho zvýhodňuje malé genomy. V evoluci byly zvýhodněny úseky DNA, které byly přeneseny do jádra, kde mohou rekombinovat, a tím opravovat své poškození. Ukázalo se, že během evoluce organel rostlinných buněkřas (plastidů) bylo do jádra přeneseno až 5000 genů. Mnohé kopie těchto genů jsou funkční i po přenosu do jádra. Organely totiž využívají produkty svých bývalých genů, i když jsou tyto geny v jádře.

Které geny jsou promiskuitnější?

Proč některé geny v organelách zůstávají? Byly totiž nalezeny i organely prokazatelně endosymbiotického původu, které ztratily DNA. Odpověď zatím není jednoznačná, ale zdá se, že některé geny zůstaly v organelách zachovány v důsledku určitých vlastností proteinů (hydrofobicitou), a také v souvislosti s řízením oxidativních procesů. Některé proteiny by těžko procházely membránami z cytoplazmy do organel, a proto je výhodnější je syntetizovat přímo uvnitř organel. Stejně tak v případě proteinů řídících oxidativní procesy je výhodnější jejich syntéza přímo v organelách, kde mohou být odpovídající geny zapínány a vypínány podle potřeby organel. Ukázalo se, že v evoluci se některé geny z organel přenášejí do jádra přednostně. Co je příčinou různé náchylnosti genů k promiskuitě? Jako první přecházejí do jádra geny, jejichž produkty mají regulační funkci. Geny související převážně s překladem genetické informace a s dýcháním opouštějí organely jako poslední. Pěkným příkladem je enzym rubisco, jehož katalytická podjednotka je kódována chloroplastem, zatímco regulační podjednotka pochází z jádra (obrázek 2).

Jak se organelové geny dostanou do jádra?

Původně se uvažovalo o prostřednictví genetických elementů, jako jsou transpozony, nebo o fágovém přenosu. Dnes existenci organelové DNA v jádře vysvětlují dvě hypotézy: přenos prostřednictvím RNA a včlenění velkých kusů organelové DNA rekombinací. Tyto hypotézy se navzájem nevylučují a pro obě existují experimentální důkazy. V čem spočívá první hypotéza? Organelový gen se přepíše do RNA, a pak se zpětně přepíše (reverzní transkriptázou) do komplementární DNA (cDNA), která se včlení do jaderného genomu. Skutečně byly nalezeny úseky organelových genů v jádře, jimž chyběly introny, tj. části genů, které zmizí pouze při úpravách RNA. Představu včleňování velkých kusů DNA podpořily objevy 131 kilobází úseku chloroplastové DNA v jádře rýže nebo 620 kilobází úseku mitochondriální DNA v jádře huseníčku (Arabidopsis thaliana). Úseky obsahovaly nejen geny s introny, ale i mezigenové oblasti. Tyto obří kusy DNA byly zřejmě procesem rekombinace včleněny do jaderného genomu poté, co se membrána organel rozpustila a jejich DNA se dostala do cytoplazmy a do jádra.

Jak častý je přenos genů do jádra?

Vědci se rozhodli, že to zjistí. Vložili proto do chloroplastového genomu tabáku gen kódující rezistenci k antibiotiku a zajistili, aby byl tento gen zapnut jen tehdy, když je v jádře. Poté prokázali, že u rostlin tabáku, jež vyrostly v přítomnosti daného antibiotika, se do jádra přenesl kousek chloroplastového genomu nesoucího rezistenci k antibiotiku. S překvapením zjistili, že je takový přenos poměrně častý, u jedné ze 16 000 rostlin. Ve skutečnosti je ale mnohem častější, neboť výše uvedeným postupem byla sledována pouze část chloroplastového genomu, která obsahovala gen pro rezistenci. Lze říci, že z několika tisíc rostlin, které vidíme, když se kolem sebe rozhlédneme například na palouku v lese, nese alespoň jedna v jádře „čerstvý“ kousek chloroplastové DNA, který se do jádra včlenil v minulé generaci.

Promiskuitní DNA v lidském genomu

Úseky promiskuitní DNA jsou i v jaderném genomu člověka. Kromě mitochondriálních genů, které se přesunuly do jádra před několika stovkami milionů let a konají svoji práci pod novou vládou, bylo v našem genomu identifikováno přes 200 nefunkčních fragmentů mitochondriální DNA. Z nich vědci dále zkoumali 42 úseků, které se do našeho jaderného genomu včlenily nejpozději. Zjistili, že pouze 14 z nich se nachází také v jaderném genomu šimpanze, což naznačuje, že většina těchto úseků byla do našeho genomu včleněna až po oddělení větví vedoucích k člověku a k šimpanzům, tedy někdy před 4–8 miliony let. Některé úseky se dokonce liší i mezi lidskými populacemi, to znamená, že byly včleněny „nedávno“. Fragmenty mitochondriální DNA nejsou v lidském genomu rozptýleny rovnoměrně. Pohlavní chromozom Y, přítomný pouze u mužů, je mitochondriální DNA kolonizován mnohem více než ostatní chromozomy. Zajímavé je i to, že se promiskuitní DNA včleňuje s mnohem vyšší frekvencí do vysoce aktivních genů než do oblastí nekódujících (např. repetitivních) sekvencí. Nejnovější objevy naznačují, že úseky této promiskuitní DNA v lidském genomu nejsou zcela neškodné. Jejich včlenění do genů může způsobit i závažná onemocnění, což dokazuje nedávný objev mitochondriální DNA v genu důležitém pro srážlivost krve u pacientů trpících hemofilií.

Promiskuitní DNA všude

Organelová DNA se pohybuje z efektivně využitého genomu prokaryot do zcela odlišného genetického prostředí eukaryotického jádra, obsahujícího složené geny a velké množství opakujících se úseků DNA, repeticí. Organely se vyznačují nejen odlišnou genovou i genomovou organizací ve srovnání s jádrem, ale i odlišnými mechanismy regulace genové exprese. Podíl promiskuitní DNA v genomech byl dosud podhodnocován, což bylo způsobeno tím, že algoritmy používané v sekvenačních projektech považovaly organelové sekvence za nežádoucí kontaminace a systematicky je vyřazovaly. To se nyní přehodnocuje. Ukázalo se, že například v genomu huseníčku (Arabidopsis thaliana) pochází 18 % genů ze starobylého plastidového genomu. Organismy se brání, aby jejich jaderné genomy nebyly přesyceny organelovými sekvencemi. Aktivně se jich zbavují různými mechanismy, především rekombinací. V laboratoři vývojové genetiky rostlin v Biofyzikálním ústavu AV ČR, kde se zabýváme strukturou a evolucí pohlavních chromozomů u rostlin, jsme zjistili, že se na pohlavním chromozomu Y modelové dvoudomé rostliny silenky širolisté (Silene latifolia) hromadí chloroplastová DNA. Zřejmě je to tím, že u chromozomu Y, který nemá partnera (na rozdíl od autozomů a pohlavního chromozomu X), a tudíž nerekombinuje, tento obranný mechanismus nefunguje. Ukazuje se, že všudypřítomný přenos genů z organel do jádra a vzájemné ovlivňování mezi buněčnými genomy hrají v evoluci genomů důležitou úlohu. Spolu s přenosnými elementy – především s retroelementy (viz Vesmír 79, 273, 2000/5) – je jedním z hlavních činitelů ovlivňujících dynamiku eukaryontních genomů od jejich vzniku.

Poznámky

1) Podobná dnešním archebakteriím.
2) Podobné dnešním proteobakteriím.
3) Podobné dnešním sinicím.

SLOVNÍČEK

autozom – nepohlavní chromozom vyskytující se v párech v somatických buňkách. Autozomy jsou stejné u obou pohlaví.

endosymbiotická teorie vzniku eukaryotické buňky – starobylé buňky, které byly podobné dnešním archebakteriím, v minulosti pohltily jiné bakterie, a posléze si je „ochočily“. Z pohlcených bakterií pak vznikly buněčné organely: z proteobakterií mitochondrie (v živočišných i rostlinných buňkách), ze sinic chloroplasty (jen v rostlinných buňkách).

plastidy – organely rostlinných buněk a řas. Většinou se předpokládá, že jde o potomky bývalých endosymbiontů sinicového typu, v několika málo případech u konkrétních druhů řas však existuje podezření, že jejich plastidy jsou potomky eukaryotických symbiontů typu řas.

V buňce slouží plastid jako organela, v níž probíhá fotosyntéza, jako zásobní organela, nebo jako organela odpovědná za zbarvení buňky. DNA obsahuje některé geny, plastidy tedy mají důležitý podíl na mimojaderné dědičnosti. Mohou nabývat různých forem v závislosti na funkci, kterou v rostlině plní. Některé formy nejsou definitivní a mohou přecházet v jiné.

promiskuitní DNA – úseky DNA migrující v průběhu evoluce mezi genomy buněčných organel (mitochondrií a chloroplastů) a jaderným genomem.

rekombinace – vytváření nových kombinací genů či jiných sekvencí DNA, jehož základem je překřížení odpovídajících částí chromozomů (crossing-over), při němž se molekuly DNA „zlomí“ a opět se spojí s novými kombinacemi. Rekombinující oblasti jsou většinou homologické, není to však podmínkou. Mechanizmus rekombinace se uplatňuje zejména při výměně genetického materiálu mezi rodičovskými chromozomy při tvorbě pohlavních buněk v meióze.

repetitivní sekvence – mnohonásobně opakovaná sekvence nukleotidů v DNA. Takové sekvence představují značnou část lidského genomu.

retroelementy – genetické elementy, které k své produkci používají enzym reverzní transkriptázu a kopírují se prostřednictvím molekul RNA (podrobněji viz E. Kejnovský: Zkopíruj a ulož, Vesmír 79, 273, 2000/5).

reverzní transkriptáza – enzym tvořící molekulu DNA na základě přepisu informace uložené v RNA (opačně než při běžném přepisu).

složené geny – geny, jejichž části (tvořící dohromady většinu délky genu) se po přepisu z molekuly DNA do RNA odstraní ještě před vznikem proteinu. Taková je většina genů eukaryotických organizmů.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Genetika

O autorovi

Eduard Kejnovský

Doc. RNDr. Eduard Kejnovský, CSc., (*1966) vystudoval Přírodovědeckou fakultu Masarykovy univerzity. V Biofyzikálním ústavu AV ČR v Brně se zabývá studiem evoluce pohlavních chromozomů a dynamikou genomů. Na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity a na Jihočeské univerzitě přednáší evoluční genomiku. Je autorem knih Horská rozjímání (Cesta 2013, viz Vesmír 92, 585, 2013/10), Tajemství genů (Academia, 2015) a Kouzlo krajiny a moudrost slova (Cesta 2016).
Kejnovský Eduard

Doporučujeme

Návrat Široka

Návrat Široka

Pavel Pipek  |  9. 2. 2018
Zpráva, která na mě právě vyskočila na Twitteru, by asi většinu Evropanů nechala chladnou, ale mé srdce buší tak, že mám chuť okamžitě vyskočit z...
Rytíř našich vod

Rytíř našich vod

Marek Janáč  |  5. 2. 2018
Na stěně ve své kanceláři má vystavené krunýře velkých raků. Za jeho pracovní židlí v akváriu rak. V knihovně knihy o racích a v laboratoři ve...
O kvantových počítačích a šifře RSA

O kvantových počítačích a šifře RSA uzamčeno

Jiří Poš  |  5. 2. 2018
značným příslibem pro výpočetní systémy budoucnosti je rozvíjející se obor kvantových počítačů. Představují naději, že eliminují některá vážná...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné