Co je to gen?

V době, kdy jsem psal minulé pokračování tohoto seriálu, v redakci časopisu Nature již pracovali na vydání série článků,¹⁾-⁷⁾ které popisují další část krajiny lidského genomu do mimořádných podrobností. A tak se stalo, že můj rozklad o postENCODE definici genu⁸⁾ vyšel o pár dní později než tyto přelomové články spojené s dalším pokračováním činnosti konsorcia ENCODE, které jsem do svého rozboru nemohl zahrnout. V tomto krátkém pokračování (vloženém před závěr seriálu) bude tudíž vhodné vyjádřit se k tomu, zda tyto novinky nějak nepozměnily cestu vývoje definice genu, kterou se až doposud společně ubíráme.

Jsme svědky případu „genomového těhotenství“, které již před nějakou dobou předpověděl James Watson. Tento nositel Nobelovy ceny totiž tvrdil, že začátkem nového tisíciletí bude žít věda genomikou, což povede k obrození biologie a také medicíny záplavou nových poznatků. Velmi významnou součástí této záplavy je mimo jiné právě encyklopedie genetických elementů lidského genomu, produkovaná konsorciem ENCODE.

PostENCODE definice genu⁹⁾ je prozatím posledním stupněm ve směru k maximální redukci obsahu pojmu gen v molekulárněbiologickém vývoji definice. Redukce pouze na sekvence kódující konečné produkty (polypeptidy) a nc(nekódující)RNA, jež musí být navíc biochemicky funkční, představuje největší odklon od pojetí zakladatelů, kteří opírali geny hlavně o jejich projevy, vybrané vlastnosti organismů. Všechny sekvence, které nekódují syntézu produktu, včetně těch, které se podílejí „jenom“ na regulaci a zajištění exprese genu, se tudíž podle nové definice do genu již nevejdou. Udělení titulu „s genem asociované sekvence“ regulačním sekvencím sice do jisté míry přiznává genetický význam, ale současně je odděluje od kódujících částí, s nimiž vytvářejí nedílný celek. Jedna část bez druhé nemá smysl. Bez zajištění regulované exprese genů se nám totiž odpovídající fenotyp nemůže v komplexní dynamické podobě zjevit. Domnívám se, že autoři podstoupili tento krok v dobrém úmyslu zbavit se problémů, které komplikují vymezení regulačních sekvencí. Nově publikované články konsorcia ENCODE však jasně ukazují, že i některým jeho členům poslední definice genu začíná působit vážné rozpaky, cena zaplacená za zjednodušení je příliš velká. Sekvence kódující proteiny (ve sděleních konsorcia jediné sekvence označované jako kódující) totiž nesou jen velmi malou část genetické informace, jejíž obměna vede k vzniku variant vlastností člověka, ba i k jeho dědičným chorobám či k smrti, a dokonce ani mutace v oblastech DNA kódujících ncRNA dostatečně nedoplňují celou škálu popsaných proměn.

Nové články^1)–7) a obrovské množství publikací s nimi propojených se vztahují hlavně k podrobnému popisu různých aspektů regulace a zajištění exprese genů (zejména rozložení sekvencí souvisejících s regulací transkripce). Články jsou věnovány konkrétně:

• popisu rozložení DNA-sekvencí supercitlivých k enzymové degradaci, jejichž vznik souvisí např. s rozvolněním chromatinu nutným pro zpřístupnění DNA transkripčnímu aparátu;
• mapě rozložení sekvencí, na které nasedají různé transkripční faktory;
• analýze vzájemného působení sekvencí spojených s regulací transkripce na dálku;
• mapám transkribovaných úseků v různých liniích lidských buněk;
• rozložení methylovaných bází na DNA v různých liniích buněk v souvislosti s nasedáním transkripčních faktorů a regulací transkripce.

Z výčtu jasně vyplývá, že přes obrovský přínos sdělení se nové články ani zdaleka nezabývají celou škálou procesů spadajících do oblasti zajištění a regulace genové exprese. Navíc je v řadě z nich naznačováno, že bude nutné v souvislosti s novými poznatky přehodnotit definici genu. Tuto změnu v přístupu konsorcia ENCODE bych pochopitelně přivítal, protože je v souladu s mou kritikou postENCODE definice genu.8 Přivítal jsem také zjištění, že již asi 80 % lidského genomu obsahuje elementy spojené s biochemickou funkcí. To znamená, že prostor mezi geny kódujícími proteiny je hojně vyplněn sekvencemi, z nichž některé nejsou transkribovány na ncRNA, a přitom hrají dědičnou roli.

V dalším pokračování seriálu se pokusím v souladu s novými poznatky ENCODE naznačit, že genetickou informaci ve skutečnosti nenese jen 80 % genomu, ale celý genom, a dokonce že je genom informací přeplněn. Na mnoha místech se geny překrývají, a to dokonce v několika vrstvách. Tento pohled je ovšem zřejmý pouze když poněkud změníme přístup k vytváření definice genu. Jako námět k diskusi se pokusím navrhnout nový přístup k definici genu, který podle mého mínění usnadní popis vrstevnatosti genomové krajiny a navíc umožní otevřít prostor pro další vývoj pojmu gen ne směrem k jeho redukci, ale naopak směrem k rozšiřování jeho obsahu, které lze v budoucnosti očekávat.

Jednotlivá pokračování tohoto seriálu jsem často diskutoval s Jaroslavem Drobníkem, u kterého jsem jako mladý aspirant začínal a se kterým jsem se po mnoha letech znovu sešel ve stejné místnosti na Přírodovědecké fakultě UK, kam jako emeritní profesor pilně docházel. Při nedávném rozhovoru mi profesor Drobník, můj první průvodce molekulární biofyzikou, řekl, že současní genetici jsou na tom podobně jako astronomové. Ti také vědí, že temné hmoty, kterou nevidí, protože nezáří, je ve vesmíru mnohem více než té, kterou běžně studují, protože ji mohou snadno pozorovat. Molekulární genetici zažívají podobné manko. Když sečetli např. hmotnost DNA obsazenou všemi známými geny a srovnali ji s celkovou hmotností genomové DNA, zjistili, že vlastně o většině genomu nevíme, k čemu je. Někteří nazvali to, o čem nic nevěděli, „smetím“ („junk DNA“). Proč ale tento odpad v evoluci z genomu nezmizel? Nové články konsorcia ENCODE jasně ukazují, že genetického smetí valem ubývá. Tuto optimistickou zprávu si už ale profesor Drobník nepřečte, neboť zemřel v plné síle 30. srpna 2012 při svém oblíbeném rybaření. Naše časté diskuse a někdy i inspirativní půtky o genech a jejich modifikacích tím bohužel nenávratně končí. Nejen jeho rodině a přátelům, ale také české vědecké komunitě a veřejnosti tak vznikla těžko nahraditelná ztráta, která postihne nesporně i jeho oponenty. Odešel vědec, který dosáhl na řadu vysokých cílů, muž, který měl odvahu riskovat a bojovat za své přesvědčení, a člověk, který uměl organizovat a sjednocovat lidi ke spolupráci. Čest jeho památce.