Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Abnormální počty chromozomů a rakovina

Polyploidie na seznamu podezřelých
 |  9. 4. 2009
 |  Vesmír 88, 265, 2009/4

Většina eukaryotických organismů má diploidní genom, to znamená, že obsahují genetickou informaci ve dvou sadách chromozomů. Přesto se vyskytují poměrně často buňky i celé organismy, které jsou polyploidní – mají tři, čtyři i více identických sad chromozomů (viz obrázek 1 v rámečku „Vznik polyploidních buněk“). S polyploidií se běžně setkáváme u rostlin a hub, ale najdou se polyploidní organismy i u obojživelníků a ryb. Ptáci a savci vyšší počty sad chromozomů tolerují špatně, a například u člověka je polyploidie příčinou zhruba 10 % všech spontánních potratů. V těle savců se ale jednotlivé polyploidní buňky objevují, a to zejména v některých orgánech a specializovaných tkáních, kde vznikají jako výsledek přísně regulovaného vývojového programu. Jaké výhody polyploidie pro buňku a organismus přináší, není zcela jasné – i když si koupím stejné noviny desetkrát, nových informací se nedoberu. Zatím se zdá, že hlavní jsou důvody energetické – téměř všechny polyploidní buňky jsou vysoce metabolicky aktivní. Nejspíš to souvisí s velikostí, neboť polyploidní buňky jsou mnohem větší než jejich diploidní příbuzní (potřebují větší tašku na ty noviny) a energetický metabolismus je u polyploidů poněkud odlišný než u diploidních buněk.

Multiplikace genů – materiál pro evoluci

Už před téměř 40 lety navrhl význačný japonský genetik a evoluční biolog Susumu Ohno (1928–2000), že multiplikace genů i větších úseků DNA může být výtečným materiálem pro evoluci. Sekvencování eukaryotických genomů skutečně ukázalo, že mnohé druhy prošly v minulosti procesem polyploidizace, kdy se počty jejich chromozomů znásobily. Tyto cykly polyploidizace vedly často ke vzniku nových vlastností, a tím i nových druhů. Znásobení genetické informace totiž poskytuje evoluci nový materiál na hraní. Zaprvé při větším množství DNA vznikne více mutací, zadruhé i při občasných nevhodných mutacích, které funkci daného genu poškozují, mají buňky (díky „nadpočetným“ kopiím genů) i nadále k dispozici nepoškozené funkční verze. V průběhu evoluce se pak tyto organismy zbavily genů nepotřebných a redukovaly genom na rozumnější velikost (kopírování velkého množství DNA je energeticky velmi náročné); prošly procesem rediploidizace. Stopy těchto událostí nalézáme u řady organismů, například se zdá, že tetraploidizace stála na počátku rozvoje obratlovců.

Co znásobení identické genetické informace udělá s buňkou?

Je skutečně jediným přínosem polyploidizace poskytnutí většího množství materiálu nenasytným pařátům evoluce, nebo i některé další vlastnosti polyploidů přispívají k jejich roli v evoluci? A mají vlastně polyploidní buňky nějaké vlastnosti, které je odlišují od diploidních protějšků?

První nápadná vlastnost polyploidních buněk je již zmíněná velikost. Větší množství DNA jednoznačně znamená větší jádro, větší celou buňku a často i větší organismus (viz obrázek 2). Jak přesně souvisí velikost buněk s velikostí organismu, není zcela jasné. U rostlin jsou polyploidní organismy mnohem větší než diploidní, a tohoto triku se běžně využívá v šlechtitelství. A tak v supermarketech kupujeme velké tetraploidní jahody či oktaploidní banány. U živočichů tento vztah tak jednoznačně nefunguje. Zřejmě je konečná velikost organismu předem dána a specifická velikost buněk ji výrazně neovlivní. Tak mají například polyploidní mloci jenom čtyři prsty, protože na končetině předem určené velikosti není pro pět prstů místo, a tetraploidní myši jsou celkem zdravé, ale velmi hloupé a trochu dýchavičné, zřejmě proto, že mají málo neuronů (při stejné velikosti hlavy se jich tam víc nevejde) a málo červených krvinek. U některých organismů je polyploidizace hlavním mechanismem ovlivňujícím velikost jednotlivých částí těla při daném počtu buněk (například křídla u octomilky atp.).

Regulace velikosti organismu u živočichů je ale skutečně spíše nejasná, nevíme, jestli jsou velcí lidé velcí proto, že mají více buněk, nebo proto, že jejich buňky jsou větší.

Nestabilita polyploidních buněk Druhá výrazná vlastnost polyploidních buněk je jejich nestabilita. To se dá logicky očekávat. S dvojnásobným počtem DNA je dvakrát větší pravděpodobnost chyb při kopírování DNA i při buněčném dělení chromozomů. Přesná měření ale kupodivu ukazují, že frekvence chyb je u tetraploidních buněk více než (jenom) dvakrát zvýšená. Například chromozomy jsou do dceřiných buněk poděleny nepřesně zhruba stokrát častěji než u diploidních buněk a také frekvence spontánních poškození DNA je mnohem vyšší než dvojnásobná. To znamená, že polyploidizace genom zcela destabilizuje a pouze výrazné adaptace umožní jeho další propagaci. S nestabilitou polyploidních buněk také nejspíš souvisí to, že polyploidní buňky mají jiné genetické vlastnosti než buňky s identickým, ale diploidním genomem (viz rámeček „Výhody diploidního genomu“). Zatímco diploidní buňky jsou bez některých genů schopny docela dobře přežít, tetraploidní buňky mají mnohem náročnější požadavky. Rozsáhlá analýza téměř všech kvasinkových genů potvrdila, že hlavní problém tetraploidních kvasinek je spolehlivé a přesné dělení chromozomů, a že pokud se má polyploidní buňka úspěšně rozdělit, musí dělicí aparát fungovat zcela bezchybně a žádný faktor nesmí být poškozen.

Příčiny potíží polyploidních buněk zřejmě nejspíš opět souvisejí s jejich velikostí. Se zdvojnásobením genomu se zdvojnásobí objem buňky. Povrch buňky či jádra ale neroste lineárně s objemem, a proto se samozřejmě změní poměr objemu a povrchu buňky. Vzrůstající velikost buňky může také působit potíže pro vnitrobuněčný transport. Lineární struktury, například mikrotubuly nezbytné pro dělení chromozomů, se také neprodlužují lineárně s objemem (při zdvojnásobení objemu se zvětší jenom 1,2krát). Některé buněčné struktury, například ribozomy (nezbytné pro tvorbu proteinů) či kinetochory (nezbytné pro připojení chromozomů k mikrotubulům), mají fixní velikost a s větším objemem se nezmění vůbec. Tak se stane, že v polyploidní buňce do sebe najednou jednotlivé součástky nepasují, protože jejich velikost byla jemně vybalancována pro buňku diploidní, a to může v důsledku vést k potížím při dělení buněk.

Jen málo rakovinných buněk má diploidní genom

Buňky s abnormálním počtem chromozomů nalezneme běžně také v zhoubných nádorech. Přesněji jenom malé procento rakovinných buněk má normální diploidní genom. Analýza buněk téměř 40 000 různých rakovinných onemocnění ukazuje, že skoro 90 % nádorů a 75 % zhoubných onemocnění krvetvorby má aneuploidní genom, tedy genom s abnormálním počtem chromozomů (viz obrázek 3). Normální zdravá lidská buňka obsahuje 22 párů chromozomů a 2 chromozomy pohlavní, celkem 46 kousků. U rakovinných buněk můžeme najít všechny představitelné varianty – buňky s minimem chromozomů, např. 30 i méně, i buňky v podstatě chromozomy napěchované (např. 220 chromozomů). Většinou jsou nádory buď téměř diploidní, nebo tetraploidní, tedy mají víceméně 46 nebo 92 chromozomů (plus minus 5). Jak k takové ohromné rozmanitosti chromozomálních abnormalit může vůbec dojít?

Všeobecně se předpokládá, že to je v zásadě jenom vedlejší produkt tvorby nádorů, který na vznik a rozvoj rakoviny nemá žádný vliv. Alternativně je ale možné si představit, že na začátku zhoubného bujení stála chyba při buněčném dělení, která dala vzniknout tetraploidní buňce. Protože taková tetraploidní buňka vznikla chybou a ne v důsledku regulovaného vývojového programu, není její rozmnožování ukončeno, a většinou se tedy pokusí rozdělit se znovu. Jak ale víme, tetraploidní buňka je vnitřně nestabilní, a může tedy produkovat dceřiné buňky s podivuhodnými kombinacemi chromozomů. Většinou tyto buňky zahynou, ale v některých případech může být nová abnormální varianta genomu velmi úspěšná a začne se nekontrolovatelně množit.

Zatím nepotvrzeno

Tato hypotéza vzniku rakovinných buněk tetraploidizací zdaleka není potvrzena, ale existuje řada zajímavých pozorování, která ji přinejmenším podporují – například v mnoha velmi raných stadiích zhoubných nádorů převažují tetraploidní buňky a injekce tetraploidních buněk do myší vede ke vzniku zhoubných (téměř) tetraploidních nádorů, zatímco injekce diploidních buněk nezpůsobí nic. Ale už dnes, ještě než se podaří roli tetraploidizace při vzniku rakoviny potvrdit či vyvrátit, bychom se mohli pokusit při léčbě využít častou aneuploidii rakovinných buněk jako trik k jejich odlišení od buněk zdravých, diploidních.

Slovníček

aneuploidie – abnormální počty chromozomů (ne celé násobky)

diploidní buňky – mají genetickou informaci ve dvou sadách chromozomů

endoreplikace (endomitóza) – zdvojení chromozomů při zachování neporušené jaderné membrány, jádro ani buňka se nedělí; výsledkem je endopolyploidie

haploidní buňky – mají jen jednu sadu chromozomů

polyploidizace – zmnohonásobení sad chromozomů

rediploidizace – částečná redukce sad chromozomů a návrat k běžné meióze

tetraploidie – jsou přítomny čtyři chromozomové sady (místo normálních dvou)

VZNIK POLYPLOIDNÍCH BUNĚK

Polyploidní buňky vznikají jako součást programu během vývinu organismu – některé orgány a tkáně totiž polyploidní buňky potřebují pro svou funkci. Ke vzniku polyploidních buněk dochází většinou během endoreplikace (endomitózy), kdy buňky replikují svou DNA, ale již se nerozdělí (A). V některých případech vznikají také polyploidní buňky fúzí buněk diploidních. Tato fúze bývá často vyvolána virovou infekcí (B). Podíl polyploidních buněk se v průběhu života mění. Například játra savců jsou tvořena u čerstvě narozených jedinců jenom diploidními buňkami, ale v průběhu života podíl tetraploidních a oktaploidních buněk vzrůstá a může dosáhnout až 20 %. Embryonický trofoblast, který vyživuje rané embryo, je kompletně tetraploidní a megakaryocyty, krevní buňky nezbytné ke vzniku krevních destiček, mohou mít až 128 sad chromozomů. Hlavním znakem těchto buněk je, že se již dále nedělí, nadále existují jenom ve svém polyploidním stavu.

Celé polyploidní organismy vznikají, pokud jsou při oplodnění použity diploidní pohlavní buňky (C), které vznikly chybou při meióze. Pokud je např. diploidní vajíčko oplodněno normální haploidní spermií, vzniklý triploidní jedinec je u mnoha druhů organismů zdravý, ale vždy sterilní. Pouze tetraploidní organismy vzniklé splynutím dvou diploidních gamet se mohou nadále pohlavně rozmnožovat, a proto jsou v přírodě podstatně častější. Tolerance k polyploidii je u nižších eukaryot poměrně velká a klesá směrem k obratlovcům. U rostlin je polyploidie zcela běžná.

VÝHODY DIPLOIDNÍHO GENOMU

Eukaryotické organismy jsou většinou diploidní, to znamená, že obsahují genetickou informaci ve dvou sadách chromozomů. Evoluční teorie nás učí, že jenom to, co je nějakým způsobem výhodné, se může dlouhodobě prosadit. Přesto se dosud žádné jednoznačné evoluční výhody diploidního genomu nepodařilo nalézt. Teoreticky by přítomnost dvou kopií každého genu měla jednak maskovat nežádoucí účinky poškozujících mutací (protože když je jedna kopie poškozena, pořád ještě máme tu druhou funkční), jednak zajišťovat zvýšený přísun výhodných mutací. Experimenty testující tyto hypotézy využívají nejčastěji běžné pivní kvasinky, protože jsou schopny bez problémů přežívat s jednou, se dvěma, třemi i více sadami chromozomů. Žádné velké výhody diploidního genomu se zatím ale neprokázaly, spíše naopak. Přesto při dlouhodobých kultivacích jak haploidních (s jednou sadou chromozomů), tak tetraploidních (se čtyřmi sadami) kvasinek získáme nakonec diploidní kultury. Při těchto laboratorních simulacích evoluce získají některé buňky náhodnou chybou při dělení diploidní genom a během několika set generací jednoznačně zvítězí nad svými nediploidními konkurenty.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Molekulární biologie

O autorovi

Zuzana Storchová

Prof. Zuzana Storchová, Ph.D., (*1970) v roce 1989 obsadila 17. až 20. místo biologické olympiády. Vystudovala PřF UK Praha. Po doktorandském studiu u Vladimíra Vondrejse zamířila na dva roky do Curychu, kde se věnovala studiu postreplikativních oprav DNA. Od roku 2001 do roku 2007 pracovala na Dana Farber Cancer Institute/Harvard Medical School v Bostonu na projektu zaměřeném na studium polyploidie v kvasinkách. Od r. 2008 vede pracovní skupinu v Ústavu Maxe Plancka pro biochemii v Martinsriedu u Mnichova. Její skupina studuje vliv abnormálního počtu chromozomů na lidské buňky. V roce 2016 byla jmenována profesorkou molekulární genetiky na Technické univerzitě v Kaiserslauternu.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné