Aktuální číslo:

2018/2

Téma měsíce:

Bionika

Za vším hledej RNA

Proč je do RNA přepisována většina lidského genomu?
 |  6. 5. 2010
 |  Vesmír 89, 322, 2010/5

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.

Slovníček RNA zmíněných v tomto článku

tRNA – transferová (iniciátorová) RNA; krátká (75–95 nukleotidů) RNA, která přináší do katalytického centra ribozomu aminokyselinu. Pro každou aminokyselinu existuje několik různých tRNA

pre-mRNA – prekurzorová RNA; přesné kopie „genové“ DNA, dlouhé několik tisíc až desítek tisíc nukleotidů, které jsou následně upraveny do mRNA

mRNA – mediátorová či messengerová RNA: vzniká z pre-mRNA, následně je transportována z jádra do cytoplazmy, obsahuje přesnou informaci pro syntézu proteinu

miRNA – mikro (regulační) RNA: krátké (20–24 nukleotidů) RNA, které se pomocí párování bazí vážou na cílovou mRNA a tím ji inaktivují

rRNA – ribozomální RNA: souhrnný název pro čtyři různé RNA (28S, 18S, 5,8S a 5S), které jsou strukturní a funkční složkou ribozomů 6S RNA – RNA tohoto typu byla nalezena v mnoha různých bakteriích, specificky se váže na bakteriální RNA-polymerázu a tlumí její aktivitu

B2 RNA – molekula RNA indukovaná teplotním šokem; byla objevena v myších, váže se na RNA-polymerázu II a tlumí její aktivitu

7SK RNA – 330 nukleotidů dlouhá RNA, reguluje aktivity RNA-polymerázy II

XIST RNA – dlouhá RNA, která nekóduje žádný protein, ale váže se specificky na X-chromozom a tím jej inaktivuje

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Genetika

O autorovi

David Staněk

David Staněk, PhD., (*1970) vystudoval Přírodovědeckou fakultu UK v Praze. Pobýval na Washingtonově univerzitě v Seattlu, v Ústavu Maxe Plancka pro molekulární buněčnou biologii a genetiku v Drážďanech a krátce na 1. LF UK v Praze. Nyní se v Ústavu molekulární genetiky AV ČR, v. v. i., zabývá hlavně výzkumem sestřihu RNA. S tím souvisí i výzkum molekulární podstaty dědičné choroby oka Retinitis pigmentosa, již způsobují mj. mutace v proteinech účastnících se právě sestřihu RNA.

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