Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Čilý ruch na genové burze

 |  7. 4. 2011
 |  Vesmír 90, 203, 2011/4

V diskusích o geneticky modifikovaných organismech a jejich využívání zaznívají často argumenty, že genový inženýr porušuje přírodní zákony přenosem genů mezi různými organismy. Kdovíproč se v této souvislosti zmiňují jahody s genem ryby,1) i když se žádný jahodník s rybími geny na jahodových plantážích nepěstuje. Jsou však pro geny hranice mezi druhy v přírodě skutečně nepřekročitelnou bariérou?

Vypůjčené geny pro rezistenci k antibiotikům

Geny mohou putovat nejen prostým děděním z rodičů na potomky, ale mohou si je vyměňovat navzájem i naprosto cizí organismy. Obnošenou vestou jsou přenosy genů prostřednictvím virů. Není žádným tajemstvím, že části deoxyribonukleové kyseliny (DNA) pocházející z virů zabírají v lidském genomu několikrát více místa, než kolik potřebuje všech našich 23 000 genů. Stejně tak jsou obecně profláknuté i genetické handly mezi bakteriemi. Těmto výměnám na bakteriální genové burze vděčíme kromě jiného i za pestrou plejádu bakterií rezistentních k řadě antibiotik. Výsledkem jsou například kmeny Staphylococcus aureus vzdorující antibiotikům penicilinové a cefalosporinové řady nebo původci tuberkulózy Mycobacterium tuberculosis rezistentní k antibiotikům, jež byla pro léčbu této silně rozšířené choroby ještě nedávno běžně a úspěšně užívána.2)

Výměna dědičné informace mezi bakteriemi byla sice dlouho brána jako holý fakt, avšak její rozsah zůstával hrubě nedoceněný. Například mořské bakterie si vytvářejí zvláštní částice podobné virům a jejich prostřednictvím si pak vyměňují úseky své dědičné informace. Pro bakterie je to nesmírně výhodné, protože tak mohou získat geny, jež jim dovolí přežít ve změněných podmínkách. Nedávno provedené pokusy prokázaly, že přenos genů těmito částicemi3) zvyšuje obrat na genové burze mořských mikroorganismů přinejmenším tisíckrát, ale možná i stomilionkrát. Evoluce bakterií postupuje vpřed mnohem častěji díky výpůjčkám cizích genů než tvorbou nových genů „svépomocí“, například zkopírováním vlastního genu na jiné místo dědičné informace a jeho následnou inovací.

Bakterie v roli genových inženýrů

Bakterie se při přenosu genů neomezují jen na jiné bakterie. Dobře prostudovaný je přenos genů půdních bakterií Agrobacterium tumefaciens4) do rostlin. Mikrob vysílá do napadané rostliny část své DNA ve formě plasmidu.5) Geny z této „genové střely“ se zabudují do dědičné informace rostlinné buňky. Rostlina je tak donucena k produkci rostlinných hormonů, které vyvolávají množení buněk a vznik rostlinného nádoru. Zároveň buňky nádoru vyrábějí podle genu pocházejícího z bakterie i enzymy pro produkci zvláštních aminokyselin zvaných opiny. Ty dokáže bakterie využít jako zdroj dusíku. Pro ostatní organismy jsou opiny „nestravitelné“, a A. tumefaciens na ně má tudíž monopol. Této přirozené schopnosti bakterie využívají genoví inženýři při pašování genů do dědičné informace rostlin.6)

Jiné bakterie dokázaly vnést své geny do dědičné informace živočichů. Například různě velké segmenty dědičné informace bakterie Wolbachia pipientis najdeme v genomech brouka zrnokaze čínského (Callosobruchus chinensis), octomilek z rodu Drosophila, blanokřídlých kovověnek (Nasonia), klíšťat (Ixodes) nebo parasitické hlístice vlasovce Brugia malayi. Wolbachie mají pro pašování genů do cizích genomů vynikající příležitost. Žijí v nitru buněk široké škály živočišných druhů7) a dalšímu pokolení hostitelů jsou předávány samicemi ve vajíčcích. Pokud se geny bakterie zabudují do dědičné informace vajíčka či vznikajícího zárodku, živočichovi a jeho potomkům už bakteriální geny nikdo neodpáře.

Když mění živočichové

Ale dopřejme sluchu argumentům těch, kteří jsou přenášením genů v laboratořích genových inženýrů pobouřeni a prohlašují viry a bakterie za primitivní nezvedence dopouštějící se proti přírodním zákonům prohřešků, jaké slušné vyšší organismy nepáchají.

Ani tento náhled na přírodní přenosy genů neodpovídá pravdě. Na pomyslném seznamu „makléřů z genové burzy“ figurují hodně vysoko například vířníci pijavenky (Bdelloidea). Ti žijí v dočasných vodních rezervoárech (hojně se vyskytují například v okapech) a často vysychají na troud. Přitom je jejich dědičná informace nalámána na kusy. Pro pijavenky je každá voda „živá“. Když se s prvními kapkami deště probudí vyschlá pijavenka opět k životu, začne nejprve spravovat rozedranou dědičnou informaci. Přitom používá, co jí přijde pod ruku, včetně zlomků DNA jiných organismů, jež se válejí v jejím okolí. V dědičné informaci pijavenek proto najdeme kusy DNA pocházející nejen z jiných pijavenek, ale i z bakterií, hub a rostlin. Mnohé z takto přenesených genů v organismu pijavenky fungují k plné spokojenosti jejich osvojitele.

Možná by odpůrci přenosu genů namítli, že pijavenky nelze brát jako typické zástupce pozemské fauny, protože jsou v mnoha směrech naprosto jedinečné.8) Transakcím na genové burze se však věnují i zcela tuctoví živočichové. Vlastnictví sekvencí dědičné informace hmyzího původu bylo prokázáno nezmaru obecnému (Hydra vulgaris) nebo některým ploštěncům (např. mořské ploštěnce Stylochus zebra). Zcela nedávno byli ze vzájemné výměny úseků dědičné informace usvědčeni komár tropický (Aedes aegypti) a komár Anopheles sinensis. Důkladná genetická „osobní prohlídka“ odhalila geny cizího původu u netopýra hnědavého (Myotis lucifugus) nebo u bodlína (Tenrec).

V mnoha případech jsou úseky dědičné informace přeneseny mezidruhově v skákajících genech čili transposonech.9) Ty zřejmě vnesou určitý úsek z dědičné informace „odesilatele“ do dědičné informace „prostředníka“, který pak doručí skákající gen „adresátovi“. Identita „prostředníků“ zůstává v řadě případů tajemstvím. Zřejmě se však této role zhostí často viry. Tito viroví „pošťáci“ jsou s to nakazit různé druhy živočichů, a přenášejí i „zásilky“ genových sekvencí. Na půli cesty od „odesilatele“ k „adresátovi“ tak byly přistiženy sekvence pocházející ze zmije perlové (Echis ocellatus) obsažené v dědičné informaci virů z rodu Orthopoxvirus. Tímto virem jsou hojně nakaženi hlodavci, kteří žijí v západoafrické domovině zmije perlové. Je tedy možné, že si z neúspěšného ataku zmije její šťastná kořist odnáší mikroskopický „dárek“ v podobě viru s úsekem hadí dědičné informace. Je pak jen otázkou času a náhody, zda se hadí DNA zabuduje do genomu hlodavce. Zatím však v Africe hlodavec s hadím úsekem DNA odhalen nebyl.

Úžasné mozaikové geny rostlin

Geneticky promiskuitní organismy najdeme i mezi spořádanými zástupci flóry. Přeborníkem je v tomto ohledu novokaledonský keř Amborella trichuta. Ten má ve svých mitochondriích 31 genů pro výrobu proteinů a z nich dvacet získal výpůjčkou od jiných rostlinných druhů. Většinou si půjčoval u vyšších rostlin, ale hned šestkrát sáhl do dědičné informace mechů. Většina půjčených genů amborelle velmi dobře slouží a nijak ji to nehandicapuje. Patří k nejstarším krytosemenným rostlinám světa a roste na Zemi víc než 130 milionů let.

Rostlinám se nabízí celá řada příležitostí pro přenos cizích genů. Vedle výpůjček pro potřeby mitochondrií se nabízejí také výměny úseků DNA z plastidů (např. chloroplastů) nebo i výměny genů, jejichž domovská adresa je v buněčném jádru. Zatímco výpůjčky směřující do jaderné dědičné informace jsou celkem vzácné, v mitochondriích rostlin je rušno.

Zajímavý náhled do tajů výměny genů v mitochondriích nabídl nedávno tým vedený Jeffreyem Palmerem z Indiana University na základě studia soužití parazitické rostliny kokotice Gronovovy (Cuscuta gronovii) s její obětí jitrocelem vraní nožkou (Plantago coronopus). Kokotice roste na jiných rostlinách, proniká do jejich organismu výběžky zvanými haustoria a bere si od nich živiny. Její vlastní fotosyntéza nestojí za řeč. Nemá k ní většinou ani dost chlorofylu. Intimní spojení oběti a jejího trapiče vytvoří příhodné podmínky pro výměnu genů. Ukázalo se, že poměrně velké úseky z DNA mitochondrií kokotice mohou přejít přímo do DNA v mitochondriích jitrocele. Najednou je tak přeneseno hned několik genů.

Ještě neuvěřitelnější genetické transakce odhalil Palmerův tým u malého portorického stromku Ternstroemia stahlii. Jeden z genů v mitochondriích tohoto stromu je ve skutečnosti „skládačka“. Z původního genu zbylo jen pět krátkých úseků a ty jsou doplněny pěti podstatně delšími úseky vypůjčenými od cizích rostlin, nejspíše z brusnic rodu Vaccinium. Palmer píše v názvu studie doslova o „úžasných mozaikových genech“. O tom, že takových „genových puzzlů“ vzniklo mezidruhovou výměnou víc, svědčí Palmerem  popsaný případ „mozaikového genu“ u zázvoru Hedychium coronarium, v němž je řada „součástek“ obdobného genu zázvorů z rodu Burbidgea. V některých případech je mozaikový gen poskládán z úseků genů pocházejících z mitochondrií a plastidů.

Zdaleka to však neznamená, že by se nepřenášely geny i mezi jádry různých rostlinných druhů. Nedávno byl prokázán přenos jaderných genů mezi rýží a prosem. Vzhledem k tomu, že k výměně genů došlo před miliony roků, jsou genoví inženýři zcela jasně z obliga.

Půjčit si (gen) není hanba

Výměny, půjčky a krádeže genů mezi velmi různorodými pozemskými organismy označované souhrnně jako horizontální přenos10) genů nejsou bezohledným porušováním přírodních zákonů, ale naopak projevem přírodních zákonitostí. Bez horizontálního přenosu genů by dnešní pozemský život zcela jistě nevypadal tak, jak vypadá, pokud by vůbec vznikl. Mnohé svědčí o tom, že na úsvitu pozemského života panovala mezi primitivními praorganismy tak čilá výměna dědičné informace, že na zástupce těchto raných forem musíme nahlížet spíše jako na jakési „genetické amalgamy“ než jako na ostře vyhraněné „individuality“.

Zlatou éru horizontálního přenosu genů má možná Země již za sebou. Rozhodně však nejde o fenomén okrajový. Jak jsme uvedli na příkladu horizontálního přenosu genů pro rezistenci k antibiotikům u choroboplodných bakterií, připomíná se nám jeho existence často a bolestně. Cizí gen však není s ohledem na přírodní zákonitosti žádné stigma a za jeho vlastnictví se není co stydět. Například lidský gen pro bílkovinu syncytin, jež hraje důležitou roli při tvorbě placenty, a tak se významně podílí na našem zdárném vývoji v těle matky, není nic jiného než evolučně celkem čerstvá výpůjčka od jakéhosi viru.

Poznámky

1) Těmto obavám je zřejmě inspirací práce ruských biologů A. P. Firsova a S. V. Dolgova: Agrobacterial transformation and transfer of the antifreeze protein gene of winter flounder to the strawberry prezentovaná v roce 1996 na Eucarpia Symposium on Fruit Breeding and Genetics v Oxfordu.

2) Původcem tuberkulózy je nakažen každý třetí obyvatel Země. Nově nakažených přibývá tempem jeden za sekundu. Choroba propuká jen u těch, u kterých došlo k aktivaci bakterií. Ročně tak na světě onemocní tuberkulózou asi 14 milionů lidí a asi 2 miliony na tuto chorobu zemřou.

3) Tyto virům podobné částice se označují jako GTAs z anglického gene-transfer agents.

4) Nověji je tato bakterie označována vědeckým jménem Rhizobium radiobacter.

5) Plasmid je poměrně krátký úsek dědičné informace ve formě dvojité šroubovice DNA, který se vyskytuje odděleně od „hlavní“ – tedy chromozomové DNA. Plasmid tvoří obvykle uzavřený kruh a množí se samostatně, nezávisle na ostatní dědičné informaci bakteriální buňky.

6) Genoví inženýři podstrčí bakterii místo jejích genů do plasmidu gen, který je třeba vnést do rostlinných buněk. Takto upravená bakterie funguje jako trojský kůň. Udělá to, co umí. Pošle plasmid do buňky a ten zabuduje svůj obsah do dědičné informace rostliny. Nevyvolá však tvorbu nádoru a produkci opinů. Cizí gen odvádí práci, ke které byl určen. Může například zajistit rostlině odolnost vůči hmyzím škůdcům. Blíže viz Valvekens D. et al., PNAS 85, 5536–5540, 1988.

7) Wolbachie patří v tomto ohledu k nejúspěšnějším pozemským organismům. Odhaduje se, že pronikla do čtvrtiny všech druhů hmyzu. Některé odhady ale počítají s podstatně vyšší úspěšností této bakterie – až 75 %. Wolbachia často manipuluje svými hostiteli. Zajistí například neživotaschopnost kříženců, jejichž rodiče se lišili v tom, zda byli či nebyli nakaženi wolbachií. Některé druhy hmyzu nutí wolbachie k vývoji z neoplozených vajíček, tzv. partenogenezí. Samci wolbachii na další generaci ve spermiích nepřenášejí, a jsou proto pro bakterii „slepou uličkou“. Z neoplozených vajíček se vyvíjejí jen samice, které šíří svého nedobrovolného hosta dál. V poslední době se ukazuje, že wolbachie zvyšuje odolnost svých hostitelů k infekčním chorobám či parazitům a touto formou kompenzuje hostiteli četná příkoří.

8) Pijavenky například po desítky milionů let pohrdají pohlavním rozmnožováním a množí se výhradně nepohlavně. Mají zdvojenou dědičnou informaci a navíc jsou extrémně odolné k jejímu poškození. Těžko hledají konkurenta například v odolnosti k radioaktivnímu záření.

9) Skákající geny objevila už v padesátých letech 20. století americká bioložka Barbara McClintocková a v roce 1983 dostala za tento objev Nobelovu cenu. Transposony jsou části dědičné informace, které se dokážou pohybovat v dědičné informaci buňky. V zásadě to dělají dvěma způsoby. Buď vytvoří svou kopii a ta se pak vmáčkne na nové místo dědičné informace, nebo samy sebe vystřihnou z DNA a přestěhují se jinam.

10) Vedle horizontálního přenosu genů funguje samozřejmě i vertikální přenos genů, což je celkem všední dědění vloh potomky od rodičů. Toho se každý z nás zúčastnil nejméně jednou jako potomek a následně třeba i několikrát v pozici rodiče.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Genetika

O autorovi

Jaroslav Petr

Prof. Ing. Jaroslav Petr, DrSc., (*1958) vystudoval Vysokou školu zemědělskou v Praze. Ve Výzkumném ústavu živočišné výroby v Uhříněvsi se zabývá regulací zrání savčích oocytů a přednáší na České zemědělské univerzitě v Praze. Je členem redakční rady Vesmíru.
Petr Jaroslav

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
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...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné