Za vším hledej RNA

Molekuly RNA zůstávají tak trochu na okraji zájmu. Chybí jim tajemno DNA jakožto nositelky dědičné informace, která může skrývat geny pro dlouhověkost či hru na klavír. A není jim vlastní ani akčnost bílkovin, které například přenášejí signály mezi neurony či katalyzují řadu užitečných reakcí, jejichž výsledky můžeme vychutnávat v zahradní restauraci ve formě pěnivého nápoje. Přesto jsou to právě molekuly RNA, bez nichž by nebylo možné informace uložené v DNA přečíst a bez jejichž přispění by nevznikl ani krátký peptid, natož složitý enzymový komplex.

Dekódování informace uložené v DNA

V eukaryotických buňkách je zmíněná informace v surovém stavu a musí být před použitím zpracována. Úseky DNA, které kódují bílkoviny, jsou krátké, přerušené dlouhými sekvencemi, které musí být odstraněny. U lidí se takto vyštěpuje až 9/10 sekvencí a kódující úseky představují jen malé ostrůvky, které jsou obklopeny mořem dlouhých „zbytečných“ sekvencí. Tyto úpravy se samozřejmě nedějí v DNA, která musí být zachována pro další generace, ale na úrovni RNA, v procesu zvaném sestřih. Informace uložená v DNA je nejdříve přepsána do molekuly prekurzorové mRNA (pre-mRNA), která je přesnou kopií DNA. Úseky, které nekódují protein, jsou pak vyštěpeny a sekvence obsahující informaci pro syntézu proteinu spojeny dohromady. Vzniká molekula RNA, která nese informaci z buněčného jádra do cytoplazmy, kde se vyrábějí proteiny. Odtud i její anglický název – messenger RNA (mRNA). Kódující úseky musí být rozpoznány a spojeny velice přesně, protože jakákoliv chyba by znamenala pro buňku v lepším případě ztrátu času a energie na výrobu nefunkční bílkoviny, v horším případě produkci bílkoviny toxické.

Sestřih RNA je katalyzován velkým komplexem, který obsahuje stovky bílkovin, ale v jeho srdci se nachází pět RNA. Nazývají se malé jaderné RNA (jejich délka nepřesahuje 200 nukleotidů) a pomocí párování bází přesně rozpoznají hranice mezi kódujícími a nekódujícími úseky (viz obr. 1a). Nejenže tak navádějí celý sestřihový komplex, ale ukazuje se, že tyto malé jaderné RNA jsou i výkonnými jednotkami celého procesu – katalyzují vyštěpení a spojení odpovídajících úseků. Ta stovka proteinů, která se procesu také účastní, má jen podpůrnou a regulační funkci!

Jak již bylo zmíněno, upravená mRNA nese informaci, podle které se vyrábí bílkovina. Katalyzátorem tohoto procesu je ribozom – ohromný komplex desítek proteinů a čtyř ribozomálních RNA (rRNA). A podobně jako u katalýzy sestřihu katalyzuje RNA i čtení informace uložené v mRNA a syntézu proteinů RNA. Rozřešení krystalové struktury jasně ukázalo, že v katalytickém centru ribozomu, kde se aminokyseliny spojují, se nachází rRNA. Ribozomální bílkoviny jen pomáhají udržet správnou konformaci celého komplexu. A aby toho nebylo málo, molekuly, které informaci uloženou v mRNA čtou a přinášejí do aktivního místa ribozomu jednotlivé aminokyseliny ve správném pořadí, jsou opět molekuly RNA, tentokrát transferové (tRNA).

RNA v roli regulátorů

Nejenže RNA výrobu bílkovin katalyzují, ale mohou ji i zásadním způsobem regulovat a rozhodovat, která mRNA bude pro výrobu proteinu použita. Nobelova cena byla v roce 2006 udělena dvěma vědcům, kteří objevili regulační RNA neboli miRNA (viz Masako Asahina Jindrová a spol., Vesmír 86, 110, 2007/2). Tyto krátké miRNA (zkratka mi je odvozena od slova mikro) jsou dlouhé jen okolo 20 nukleotidů, ale jejich navázání na cílovou mRNA vede k inaktivaci a takto označená mRNA není použita pro syntézu proteinů. Kromě buněk tohoto jevu hojně využívají i experimentátoři pro výzkum funkce jednotlivých proteinů. Uměle připravené krátké RNA specificiky inaktivují cílovou mRNA a protein, který tato mRNA kóduje, buňky neprodukují. Více si o těchto úchvatných RNA molekulách můžete přečíst v článku Vladimíra Vondrejse „Umlčování genů aneb Co dokáže malá RNA“ (Vesmír 84, 198, 2005/4).

Vraťme se ale na začátek procesu vedoucího k syntéze bílkovin, k přepisu DNA do RNA. Tento krok je u všech známých organismů (od jednoduchých bakterií až po člověka) katalyzován enzymem nazývaným „DNA dependentní RNA-polymeráza“ (zkráceně RNApolymeráza). Čtenáře, který dočetl až sem, už asi nepřekvapí, že i tento klíčový enzym je regulován molekulami RNA. U bakterií byla popsána 6S RNA, která se tvoří ve stacionární fázi růstu bakteriální kolonie a tlumí bakteriální RNA-polymerázu. U myší byla nedávno objevena B2 RNA, která je vyvolána teplotním šokem a má též tlumivé účinky na RNA-polymerázu. Velmi dobře je popsána lidská 7SK RNA, která nepřímo reguluje aktivitu a rychlost, s níž RNA-polymeráza pracuje. Podobně funguje i RNA produkovaná virem HIV, která povzbuzuje RNA-polymerázu jen tehdy, pokud vyrábí virovou RNA, a zajišťuje tím, že se „hostující“ virová DNA rychle a efektivně přepisuje i v prostředí obsahujícím mnohem více „domácí“ buněčné DNA.

Kromě regulace RNA-polymerázy ovlivňují molekuly RNA i samotnou strukturu DNA. RNA zvaná XIST (dlouhá téměř 20 000 nukleotidů), která nekóduje žádný protein, je klíčovým faktorem při inaktivaci chromozomu X v savčích samičích buňkách. Na rozdíl od samců mají samice dva chromozomy X, a tak musí jeden „vypnout“, aby nedošlo k nežádoucí nadprodukci bílkovin, které jsou kódovány geny na chromozomu X. Během zárodečného vývoje buňky „spočítají“ (způsobem zatím ne zcela jasným) chromozomy X. V samičích zárodečných buňkách pak začne jeden chromozom X produkovat XIST RNA, která ho pokryje, zabalí a tím úplně zbaví aktivity. Tato inaktivace se pak dědí při dalších buněčných děleních. U samců, kteří mají jen jeden chromozom X, k aktivaci syntézy XIST RNA nedochází.

Které geny a které úseky DNA dělají z člověka to, čím je?

Tato otázka trápí mnohé biology už od doby, kdy byl sekvenován lidský genom. Jedním z velkých překvapení sekvenačního projektu bylo zjištění, že lidský genom obsahuje poměrně málo genů, které kódují proteiny. Méně než 25 000 a jen o několik tisíc více než má jednoduchý červ (háďátko), jehož dospělý jedinec se skládá z pouhých 959 buněk. Další překvapení přišlo, když byla odhalena kompletní sekvence genomu šimpanze: 96 % sekvencí máme se šimpanzem společných a navzájem se z genetického pohledu lišíme méně než myš a potkan. Proč jsme tedy jiní? Kompletní odpověď na tuto otázku není známa a ani já si zde nekladu za cíl na ni odpovědět. Troufám si ale tvrdit, že v tom budou hrát jednu z hlavních rolí RNA. Již teď máme některé indicie, které to naznačují. Ukazuje se, že jeden z rozdílů mezi námi a šimpanzi je, jakým způsobem RNA, a hlavně pre-mRNA, zpracováváme. Z identických pre-mRNA mohou v procesu zvaném alternativní sestřih vzniknout různé mRNA, které tak dávají vzniknout různým proteinům (viz obr. 1b). Kolem 6–8 % pre-mRNA zpracovává člověk jinak než šimpanz. Většinou jde o drobné změny, ale v souhrnu mohou mít zásadní vliv na vývoj organismu, a zvláště nervové soustavy, která je alternativním sestřihem prekurzorové mRNA pověstná. Dále bylo srovnávací analýzou zjištěno, že nejvíce rozdílů mezi námi a šimpanzi se nahromadilo v segmentu zvaném HAR1 (viz Vesmír 85, 643, 2006/11). Tento segment je součástí dvou nekódujících RNA, jejichž funkce je zatím neznámá, ale které jsou specificky lokalizovány v šedé kůře mozkové (neokortexu). Mutace v lidském úseku HAR1 mění sekundární strukturu RNA, což může změnit stabilitu či lokalizace RNA a tím ovlivnit nervové buňky.

Svět RNA

Svět RNA je různorodý, dynamický a neobyčejně zajímavý. Molekuly RNA jsou schopny uchovávat a předávat genetické informace a zároveň katalyzovat různé chemické reakce. Není proto divu, že mnoho vědců spojuje vznik prvních živých organismů právě s těmito všestranými molekulami. Nedávno se též zjistilo, že většina lidského genomu je přepisována do RNA, ačkoliv jen 1–2 % sekvencí kódují proteiny. Proč se překládá tak ohromné množství nekódující RNA, je zatím záhadou. A asi ne jedinou, která na nás ještě v podivuhodném světě RNA čeká.