Retrony, genetické elementy bakterií

Roku 1958 navrhl Francis Crick ústřední dogma molekulární biologie: Genetická informace se přenáší z DNA přes RNA k proteinům. Již tenkrát ale Crick předpokládal, že existuje také přenos informace od RNA k DNA. Jeho předpoklad se potvrdil o 12 let později, kdy David Baltimore a Howard Temin nezávisle na sobě objevili reverzní transkriptázu, která přepisuje informaci opačným směrem. Oba ji objevili u virů vyvolávajících nádorové bujení.

Reverzní transkriptáza, retroelement a retron

Později byla reverzní transkriptáza nalezena jako součást velkého množství dalších virů a všem těmto virům se souborně začalo říkat retroviry. Některé z nich, například virus HIV, způsobují vážná onemocnění. Jiné se trvale začlenily do genomu člověka či jiných eukaryotických organizmů, ale zatím se neví, jestli mají nějaký význam. Obecně jsou považovány za jeden z evolučních faktorů, který přispěl k vzniku nových druhů. Kromě samotných retrovirů jsou v genomu eukaryotických organizmů retroelementy (viz Vesmír 79, 273, 2000/5), které buď samy obsahují gen pro reverzní transkriptázu, nebo využívají reverzní transkriptázu jiných elementů. Takové elementy tvoří až 30 % z celého lidského genomu, kdežto vlastní geny pro „stavební plán“ člověka představují pouhá 3 % (viz Vesmír 85, 452, 2006/8). Gen pro reverzní transkriptázu je zkrátka nejrozšířenějším genem v organizmech od kvasinky až po člověka.

Vědci se dlouho domnívali, že se reverzní transkriptázy vyskytují jen u eukaryot a virů a že bakterie žádnou reverzní transkriptázu nemají. Dokonce ani mezi viry, které infikují bakterie, nenajdeme žádné retroviry. To se zdálo být divné, protože reverzní transkriptáza je považována za jeden z nejstarších enzymů, který umožnil přechod z pradávné říše RNA (kde RNA sloužila jako nosič genetické informace vytvářející kopie sebe sama i jako výkonná molekula) do světa, v němž funkci nosiče genetické informace převzala stabilnější molekula DNA. Reverzní transkriptázy proto musely existovat již v dobách, kdy vznikaly první živé soustavy, ještě před rozdělením na říše eukaryot a prokaryot.

Až roku 1984 zpozoroval Thomas Yee, jak se v cytoplazmě půdní bakterie Myxococcus xanthus hromadí jednořetězcová DNA. Postupně se zjistilo, že tato DNA (multicopy singlestranded DNA, zkráceně msDNA) je kopií části elementu, který obsahuje reverzní transkriptázu. Element odpovědný za její vznik byl nazván retron a reverzní transkriptáza tímto retronem kódovaná dostala název retron-reverzní transkriptáza. V té době již bylo známo, jak velký význam mají retroelementy u eukaryotických organizmů, a proto jejich objev u prokaryot vzbudil velký rozruch. Po 20 letech intenzivního výzkumu se toho již ví dost o struktuře a chování bakteriálních retronů, jejich biologická funkce však zůstává neznámá. V následujících odstavcích se pokusíme ukázat, že stojí za to dovědět se toho o nich trochu víc.

Jak asi retrony vznikly a jakou mají funkci?

O struktuře retronu a způsobu syntézy msDNA je toho dnes známo dost (viz rámeček „Retrony – co už víme“ 1 ). Téměř nic však nevíme o původu a biologické funkci retronů. Do dnešní doby bylo objeveno 22 různých retronů u 10 bakteriálních rodů, grampozitivních i gramnegativních, a u jedné archebakterie. Dá se ale očekávat, že jejich počet poroste s počtem kompletně sekvencovaných bakteriálních genomů.

Přestože sekundární struktura oblasti msd-msr a způsob syntézy msDNA je u všech retronů stejný, na úrovni primární sekvence mezi nimi často nenacházíme žádnou podobnost. Ačkoli obecně je jejich rozšíření velmi široké, v rámci jednoho bakteriálního druhu se retrony obvykle vyskytují jen u malého procenta kmenů. Odlišná situace je u bakterie Myxococcus xanthus, kde se retron vyskytuje u všech kmenů bez výjimky. Velmi rozšířené jsou retrony i mezi ostatními myxobakteriemi a u všech jejich rodů jsou si dost podobné. Zároveň se zdá, že tyto retrony mají stejnou mutační rychlost jako ostatní geny na chromozomu, a tedy asi byly přítomny již u společného předka dnešních rodů, které se od sebe oddělily zhruba před 900 miliony lety. To by znamenalo, že retrony jsou ještě starší než dosud známé eukaryotické retroelementy.

Nedávný objev retronu u archebakterie Methanosarcina acetivorans navíc naznačuje, že by se stáří retronů mohlo posunout ještě hlouběji do minulosti, což však už není jisté. Například do chromozomu Escherichia coli se retrony dostaly mnohem později. Nacházejí se jen u 13 % jejích kmenů a vzájemně se od sebe velmi liší. Zdá se tedy, že byly získány horizontálním přenosem v nedávné evoluční minulosti. Odkud a jak, to ovšem zůstává záhadou. Některé retrony byly patrně vneseny do chromozomu E. coli jako součásti bakteriálních virů a zůstávají zabudovány v sekvencích připomínajících profágy (fágy začleněných do genomu hostitele). Většina retronů je však ohraničena sekvencemi, které nic neprozrazují o tom, jakým způsobem se retron do chromozomu začlenil.

Enzym k sobeckým účelům retroelementů

To ale není jediný problém. Retrony kódují funkční reverzní transkriptázu, která je příbuzná reverzním transkriptázám retrovirů a ostatních retroelementů. Těm reverzní transkriptáza slouží k přepisu celé genetické informace z RNA do DNA. Informace se pak začlení do genomu buňky, která ji dál nedobrovolně kopíruje spolu se svým genomem. Reverzní transkriptáza je tedy enzym sloužící výhradně k sobeckým účelům těchto elementů.

Proč reverzní transkriptáza retronů přepíše jen malou část z celého elementu a navázanou na RNA ji hromadí v cytoplazmě bakterií? Nejenže tím retronu neprospívá, naopak na něj přivolává pozornost mechanizmů, pomocí nichž bakterie redukuje nadbytečné sekvence zatěžující její energetický metabolizmus. Někdy nese bakterie v genomu dokonce dva různé retrony, a oba produkují svou specifickou msDNA. Jediným rozumným vysvětlením by bylo, že hromadění msDNA poskytuje bakteriím nějakou výhodu, která jim zvýšené energetické nároky vynahradí.

Jakou výhodu ale může přinášet hromadění stovek kopií msDNA v cytoplazmě bakterií? Jediný vliv retronů na buňky, který byl zatím pozorován, bylo zvyšování počtu mutací. Jakkoli je msDNA jednořetězcová molekula, obsahuje obrácené repetice, a proto se páruje sama se sebou. Tvoří tak strukturu připomínající spíše dvouřetězcovou DNA s nespárovanými oblastmi. Tuto strukturu pak rozpoznávají enzymy, které v buňce nespárované nukleotidy vyhledávají a opravují. A protože jsou tyto proteiny vychytány molekulami msDNA, ve zbytku bakteriální buňky je jich nedostatek a mutace v genomové DNA opravnému systému buňky uniknou.

Tento efekt byl ale pozorován pouze v případě, kdy byla syntéza msDNA uměle zvýšena nedostatkem živin. Bakterie v prostředí s nedostatkem živin ve zvýšené míře produkují msDNA. Tím zvýší četnost mutací, čímž umožní selekci nových klonů, které budou k přežívání v prostředí s nedostatkem živin přizpůsobeny.

Může něco existovat 900 milionů let bezdůvodně?

V laboratorních podmínkách se dodnes neprokázalo, že by odstranění retronu z genomu bakterií mělo nějaký vliv. Zkoumalo se to nejen u bakteriálních druhů, u nichž se retrony vyskytují zřídka, ale i u druhu Myxococcus xanthus, kde se retron vyskytuje u všech kmenů. Jedinou výjimkou byl jeden kmen Salmonella typhimurium. Odstranění retronu sice neovlivnilo jeho vlastnosti při kultivaci in vitro, avšak z nejasných příčin vedlo k zvýšení jeho virulence pro myši. Zdá se tedy, že pokud retrony nějak bakterie ovlivňují, děje se to v podmínkách, které se v laboratoři těžko napodobují. A tak retrony zůstávají jednou z mnoha záhad, na jejichž rozřešení si budeme muset ještě počkat. Rozhodně je ale těžké uvěřit tomu, že by se něco takového v přírodě vyskytovalo naprosto bezdůvodně už po více než 900 milionů let.