Záhada biologických hodin

Nestává se příliš často, aby ve stejném čísle časopisu Nature vyšly dva články na podobné téma. Ještě méně časté je, když oba články mají společného autora, a je snad téměř výjimečné, že tím autorem je mladý vědec, který před krátkou dobou ukončil svá doktorská studia. Znamená to jediné, objev něčeho nečekaného a svým způsobem i překvapivého.

Skutečně – v lednovém čísle Nature vyšly dvě práce, které tak trochu nabourávají současné dogma o mechanismu, který v našem těle pohání biologické hodiny. Tyto hodiny jsou součástí vnitřního časového systému, který se během evoluce vyvinul u všech organismů jako nutná adaptace na změny související s pravidelným střídáním dne a noci. Systém kontroluje průběh řady základních funkcí živých organismů tak, aby byly optimálně připraveny na nadcházející změnu denní doby.

Výsledky nedávných studií ukazují, že vznik tohoto časového mechanismu lze datovat již do období prvopočátku života na Zemi. Přítomnost vnitřních hodin se ukázala být velkou adaptační výhodou již pro primitivní jednobuněčné organismy, kterým jejich jednoduché „proto-hodiny“ poskytovaly výhodu v kompetici s organismy bez těchto hodin. Ne náhodou se proto hodinový mechanismus zabudoval do mechanismů nutných pro udržení základních funkcí složitějších mnohobuněčných organismů, včetně člověka.

Během posledního desetiletí byla učiněna řada objevů, které umožnily nahlédnout do molekulárního mechanismu hodin, tj. jakéhosi „hodinového stroje“ živých organismů. Překvapivě je základní princip tohoto mechanismu velmi podobný, ať už zkoumáme hodiny u sinice, plísně, rostliny, hmyzu nebo savce včetně člověka. Základem je soustava zpětnovazebných smyček, kterými je autonomně poháněno rytmické spínání sady genů nezbytných pro chod hodin, a proto nazývaných „hodinové geny“. Ačkoliv jsou hodinové geny u sinic, plísní, hmyzu a savců odlišné, základní princip zpětnovazebných smyček je univerzální. Proto jsou procesy spojené s přepisem (transkripcí) genů na DNA a překladem jejich informace na proteiny v současné době považovány za základní předpoklad pro chod biologických hodin.

Vědce zabývající se těmito mechanismy však v poslední době vzrušuje myšlenka, že je všechno ve skutečnosti ještě složitější. Co když tyto procesy nejsou jedinou výhradní součástkou hodinového stroje, ale jen jednou z jeho částí? Hodiny běžící i bez kontroly transkripce byly dříve popsány u sinic, tedy prokaryotních organismů bez buněčného jádra. Jak je tomu však u tzv. eukaryotních organismů, které mají buněčné jádro, člověka nevyjímaje?

Odpověď na tuto otázku hledal i mladý vědec John O’Neil. Již během svého doktorského studia v Laboratoři molekulární biologie MRC v anglické Cambridgi pátral po mechanismech, které mohou hodiny vyšších organismů pohánět i bez procesů spojených s přepisem genů. Chyběly však důkazy, které by přesvědčily kolegy o správnosti jeho hypotéz. Spolupráce s kolegou a přítelem Akhileshem Reddym z Cambridge a prof. Andrewem Millerem z Edinburgu mu poskytla příležitost své hypotézy testovat na dvou unikátních modelech.

Prvním z nich byl model velmi primitivního jednobuněčného organismu, eukaryotické řasy Osteococcus tauri. Tato řasa má minimalizované hodiny, které však sdílejí mnoho společných znaků s ostatními eukaryoty, včetně mechanismu zpětnovazebné kontroly přepisu hodinových genů. Pokud je tato řasa vystavena stálé tmě, zpětnovazebný mechanismus se rázem zastaví a geny přestanou být spínány rytmicky. O’Neil prokázal, že při takto zastavených hodinách si řasa udržuje své „povědomí“ o čase. Při absenci transkripčních procesů dále udržuje například rytmus v oxidaci peroxiredoxinů, tj. proteinů, které patří mezi antioxidační enzymy vychytávající kyslíkové radikály. Aktivita peroxiredoxinů vykazuje denní rytmy i u savců. Jak ale prokázat, že tento proces ani u nich nevyžaduje regulaci přepisu genů?

O’Neil si proto jako druhý model pro testování své hypotézy vybral lidské červené krvinky, erytrocyty, tj. buňky bez DNA, ve kterých proto nemohou transkripční zpětnovazebné mechanismy probíhat. Erytrocyty využívají peroxiredoxiny pro svou funkci při přenosu kyslíku v těle. Výsledek byl více než překvapivý. Krvinky získané z krve dárců a inkubované v živném médiu v konstantních podmínkách vykazovaly denní rytmy v aktivitě peroxiredoxinů. Co tyto rytmické změny opakující se s periodou přibližně jednoho dne pohání, však zatím nevíme. Ukazuje se ale, že mechanismy vnitřního časového systému jsou zabudovány do základních funkcí buněk našeho těla mnohem více, než jsme se dříve domnívali.