Háďátko Caenorhabditis elegans

Čím si háďátko¹⁾ tuto pozici zasloužilo? Caenorhabditis elegans patří mezi hlístice (Nematoda) a běžně žije v půdě, v kompostu nebo na rozkládajícím se ovoci. Na rozdíl od řady jiných háďátek, například háďátka řepného nebo bramborového, není parazitické, ale živí se bakteriemi či jinými mikroorganismy. To velmi usnadňuje jeho kultivaci v laboratorních podmínkách, kde bez problémů přežívá na agarových miskách s napěstovanými bakteriemi. Životní cyklus od oplození do dospělosti, během kterého háďátko projde čtyřmi larválními stadii, trvá za optimálních podmínek pouhé tři dny. Je to rychlost, které většina dalších mnohobuněčných modelových organismů nemůže konkurovat. V méně příznivých podmínkách, například při nedostatku potravy, může háďátko nasměrovat svůj vývoj přes alternativní larvální stadium (dauer larvu), které vydrží bez potravy až tři měsíce. Charakteristickým rysem vývoje háďátka je přítomnost stejného počtu tělních buněk v každém dospělém jedinci (959 u dospělých hermafroditů). Přestože je počet buněk poměrně malý, diferencují do všech základních tělních soustav známých u vyšších organismů – trávicí, vylučovací, svalové, nervové a rozmnožovací. Stabilního počtu buněk je dosaženo pevně danou sérií buněčných dělení, která se s každým oplozeným vajíčkem beze změny opakuje. Háďátko je tak extrémním příkladem organismu s determinačním vývojem, při němž je osud každé buňky určen již při jejím vzniku. Tato vlastnost vedla k vytvoření dnes již klasického „rodokmenu“ všech buněk háďátka. Ačkoli – zvláště v této extrémní podobě – nejde o typickou ukázku vývoje většiny mnohobuněčných organismů (dokonce ani hlístic), pro experimentální biologii představuje velkou výhodu, neboť snižuje úroveň variability zkoumaného systému (mít alespoň nějakou jistotu při práci s živým organismem není vůbec na škodu, byť výsledky platí jen pro háďátko). Kteroukoliv buňku lze jednoznačně identifikovat v každém jedinci a její chování je tak možné snadno porovnávat mezi jedinci vystavenými různým pokusným podmínkám nebo s odlišným genetickým pozadím.

Dalším kladem háďátka jako modelového organismu je možnost genetické analýzy. Přirozeně se vyskytuje ve dvou pohlavích: 99,9 % populace tvoří hermafrodité schopní oplodnit sami sebe, zbylou 0,1 % představují samci schopní oplodnit hermafrodity. Hermafroditismus vědcům usnadňuje udržovat a množit geneticky definované kmeny v laboratorních podmínkách, přítomnost samců zase umožňuje jednotlivé kmeny nesoucí různé mutace křížit a studovat vliv mutací či jejich kombinací na fenotyp.²⁾ V posledních deseti letech se studium háďátka rozšířilo o metody reverzní genetiky. Zatímco klasická genetika vychází z fenotypu a pracně zjišťuje, které geny daný fenotyp způsobují, reverzní genetika začíná od vybraného genu a ptá se, jakou funkci v organismu má. Jednou z významných a u háďátka hojně využívaných metod reverzní genetiky je interference RNA, díky níž lze selektivně umlčovat jednotlivé geny, aniž by došlo k trvalému zásahu do genetické informace jedince. Ostatně na samotném objevu procesu interference RNA mělo háďátko lví podíl (viz Vesmír 86, 110, 2007/2). Genetiku si v dnešní době nelze představit bez DNA sekvencí. Háďátko se může pochlubit významným příspěvkem k rozvoji sekvenování. Právě jeho 100 Mbp (= 100 milionů párů bází) DNA představuje první známý úplný genom mnohobuněčného organismu a posloužil jako odrazový můstek pro mnohem gigantičtější projekt poznání genomu lidského.

Do historie biologického bádání se háďátko zapsalo nesmazatelně. Má však šanci i nadále? Alespoň podle počtu publikací zmiňujících C. elegans, kterých je v databázi PubMed přes patnáct a půl tisíce, z toho již téměř 300 s datem r. 2010, se zdá, že zájem rozhodně neutichá. Tři Nobelovy ceny během posledních osmi let, které byly uděleny badatelům využívajícím háďátko jako model, dávají tušit, že sláva ještě chvíli vydrží. Je fascinující sledovat vzrůstající rozmanitost biologických otázek, k jejichž zodpovězení háďátko přispívá. Zatímco tradiční doménou „háďátkářů“ byla vždy genetika, vývojová biologie či neurobiologie, dnes už tento modelový červík pronikl i do ekologie, výzkumu lidských neduhů (rakoviny, obezity či závislosti na alkoholu), do evoluční biologie i biofyziky.

Následující dva příklady představují jen malou ochutnávku ze vzrušujících otázek, jak funguje svět kolem nás, na něž miniaturní háďátko pomáhá odpovídat.

Sen feministek?

Zvláštností háďátka je přítomnost dvou pohlaví, a to převládajících hermafroditů a minoritních samců. Evoluční výhoda tohoto uspořádání je dobře představitelná – hermafroditi snadno kolonizují nové prostředí (stačí jediné háďátko, které samo sebe oplodní). Na druhou stranu občasná výměna genetické informace při pohlavním styku se samci chrání populaci před ztrátou vitality (inbrední depresí). Zajímavé ovšem je, že v rodě Caenorhabditis nejde o pravidlo a některé druhy (například C. remanei nebo C. japonica) mají samice a samce. Fylogenetické analýzy ukázaly, že gonochorismus (přítomnost odděleného samčího a samičího pohlaví) se vyskytoval i u společného předka všech druhů rodu Caenorhabditis. Otázka zní, jakým způsobem mohlo dojít u C. elegans ke změně.

Pohlaví je u háďátka určeno geneticky – hermafroditi nesou dva pohlavní X chromozomy (XX), zatímco samci pouze jeden X chromozom (X0). Stejně jako hermafroditi C. elegans jsou však na tom i samice gonochoristických druhů – mají rovněž dva X chromozomy. Vzhledem k tomu, že životaschopní samci se u C. elegans stále vyskytují, ke změně pohlaví muselo dojít u samic. Možný scénář změny nastínil nedávno tým vědců pod vedením Ronalda Ellise z univerzity v New Jersey. Buňky pohlavních orgánů si dokážou „spočítat“, kolik nesou X chromozomů. Podle výsledku aktivují signální dráhu vedoucí ke spuštění samčího nebo samičího programu. Klíčovou roli v této dráze hraje protein TRA-2. U samců je bílkovina TRA-2 neaktivní, což umožňuje samčím genům, aby se plně projevily. Naopak u hermafroditů je bílkovina TRA-2 aktivní a zajišťuje umlčení genů potřebných pro samčí vývoj. K deaktivaci TRA-2 dochází u hermafroditů pouze během krátkého období rané dospělosti, kdy si připravují zásobu spermií pro samooplozování na celý zbytek života. Gen kódující bílkovinu TRA-2 je uchován u hermafroditických i gonochoristických druhů háďátek. Když badatelé pomocí metody interference RNA snížili (ale ne zcela odstranili) hladinu TRA-2 u gonochoristického druhu C. remanei, v populaci se objevili jedinci nesoucí jak vajíčka, tak spermie. Spermie však nebyly schopné vajíčka oplodnit. Zjistilo se, že neprošly procesem aktivace, kdy se mění z nepohyblivých spermatid na pohyblivé spermie. Předčasné aktivaci spermií C. elegans brání také protein SWM-1. Když vědci u druhu C. remanei snížili zároveň hladinu TRA-2 i SWM-1, vyskytli se v populaci najednou i hermafroditi, u nichž došlo k oplození vajíček jejich vlastními spermiemi a kteří dali vznik životaschopnému potomstvu. Přechod od uspořádání samice-samec k uspořádání hermafrodit(-samec) je až překvapivě jednoduchý – postačují pouhé dva zásahy do regulačních drah. Jeden zásah pozmění určení pohlaví, druhý aktivaci spermií. Pozoruhodný je rovněž fakt, že nejde ani o ztrátu či vznik nové funkce proteinů TRA-2 a SWM‑1, ale pouze o změnu jejich hladiny v organismu.

Vliv náhody

Obecná představa o vývoji organismu zahrnuje obvykle sled přesně daných a vysoce regulovaných kroků, jež vedou ke konečné podobě organismu typické pro daný druh. Tato podoba je v prvé řadě dána genetickou informací, která poskytuje návod, podle něhož vývoj spěje k víceméně neměnnému cíli – pokaždé vznikne háďátko a ne třeba motýl. Vývoj může být ovlivněn i vnějším prostředím, například teplotou, dostupností potravy nebo hustotou populace – náš motýl babočka síťkovaná (Araschnia levana) se vyskytuje ve dvou barevných formách podle toho, zda se motýl vylíhne na jaře, nebo v létě (viz Vesmír 83, 441, 2004/8; Vesmír 75, 217, 1996/4). Ani geneticky naprosto identičtí jedinci, jako jsou jednovaječná dvojčata, nejsou zcela totožní. Za hlavní zdroj odlišností těchto jedinců bývají považovány hlavně vlivy prostředí. Může však být vývoj ovlivněn i náhodou? Za normálních podmínek se organismy snaží vliv náhody potlačit. Obsahují mechanismy, které mohou drobné výkyvy v systému „pufrovat“.³⁾

Noční můrou genetiků bývají mutace s neúplnou penetrancí – v geneticky homogenní populaci se určitý fenotyp projevuje jen u části jedinců, přestože jsou chováni v naprosto identických podmínkách. Tým Alexandera van Oudenaardena z Massachusetts Institute of Technology nedávno ukázal, že právě neúplnou penetranci lze vysvětlit zvýšením vlivu náhodných dějů v buňkách. Pro své pokusy si badatelé vybrali háďátko s mutací v genu skn-1. Příslušný protein spouští signální dráhu vedoucí v několika krocích k diferenciaci střeva. Přestože všechna embrya s mutací skn‑1 jsou geneticky totožná, u některých se střevo nevyvine vůbec, zatímco u jiných k tvorbě střevních buněk dojde. Jak tedy vysvětlit fakt, že geneticky totožná embrya jednou diferenciaci nezahájí a podruhé ano? Vědci se rozhodli v mutantních embryích prozkoumat aktivitu celé signální dráhy, jejíž součástí je skn-1. Použili unikátní metodu, která umožňuje označit a spočítat v každé buňce všechny molekuly mediátorové RNA daného genu, jejímž překladem vzniká odpovídající protein. Předpokládali přitom, že množství mRNA je úměrné množství vytvořeného proteinu. Zjistili, že u nemutovaných kontrolních embryí se počet molekul mRNA jednotlivých genů pohybuje vždy jen v poměrně úzkém rozmezí, u skn-1 mutantních embryí tomu tak však nebylo. Exprese některých genů u mutantů téměř vymizela, zatímco u jiných genů se počet molekul mRNA pohyboval ve velmi širokém rozpětí (až dvou řádů). Pro výsledný fenotyp embryí přitom byl rozhodující počet molekul mRNA jediného genu na konci signální dráhy označovaném end‑1. Pouze pokud počet mRNA tohoto genu dosáhl určité kritické hladiny, zahájila se diferenciace střeva. U kontrolních embryí se díky součinnosti celé signální dráhy dosáhlo pokaždé kritické hladiny end‑1, a tudíž střevní buňky vznikly. Mutanti skn‑1 měli signální dráhu narušenou, exprese end-1 byla vysoce proměnlivá a kritická hladina byla dosažena pouze u některých jedinců – a to víceméně náhodně. Celý pokus tedy prokázal a poprvé na úrovni celého mnohobuněčného organismu změřil, že některé mutace, například v genech signálních drah, nevyřadí signální dráhu úplně z provozu, pouze výrazně zvýší vliv náhody na konečný výsledek. Proto se jejich mutantní fenotyp projeví jen někdy.

Sydney Brenner může mít ze svého „dítka“ radost, háďátku se ve vědě (a doufejme i mimo ni) daří velmi dobře a stále se podílí na řešení aktuálních biologických otázek. Dnešní uspěchaná věda tlačící na produkci výsledků jako na běžícím páse by se však mohla inspirovat hlavně v počátcích jeho spanilé jízdy. Od chvíle, kdy Sydney Brenner poslal britské Medical Research Council žádost o financování studia vývoje háďátka, do publikace prvního odborného článku na toto téma uplynulo deset let a autorem článku byl pouze Brenner. Nezbývá než popřát všem dnešním Brennerům se smělými plány hodně trpělivosti a osvícené mecenáše. Bez nich se k Nobelovým cenám prokousává jen velmi těžko.