Co je to gen?

Šokující výsledky analýzy transkripce lidského genomu

Zatímco DNA virů a prokaryot je vyplněna geny proteinů (včetně jejich regulačních sekvencí) velmi hustě a genové úseky se často dokonce překrývají, u eukaryotických organismů je hustota genů většinou nižší. Zhruba lze říci, že hustota genů klesá směrem od jednobuněčných k mnohobuněčným organismům, u mnohobuněčných pak směrem k organismům složitějším. V lidském genomu připadá na tyto geny dokonce jen o něco více než jedno procento DNA. Tím překvapivější bylo zjištění konsorcia ENCODE, že se transkribuje téměř veškerá lidská DNA. Navíc bylo prokázáno (např. u savců), že podstatná část genomové DNA je transkribována z obou řetězců a mnoho úseků je transkribováno jako součást různě velkých transkriptů. Většina RNA, která vzniká v buňkách, tedy nekóduje proteiny. Mluvíme o ncRNA (non coding RNA).

Často vznikají krátké transkripty, jejichž kódující kapacita nepřekračuje délku 100 aminokyselinových zbytků. Nebylo sice zcela vyloučeno, že by některé z nich mohly kódovat krátké polypeptidy, ale na delší polypeptidy jejich kapacita jistě nestačí. Zatím jen u relativně malé části ncRNA byla prokázána dobře definovaná funkce. Tyto transkripty mohou hrát např. roli výstavbových prvků, regulátorů či přenašečů, anebo být nositeli katalytické aktivity podobně jako enzymy. V podstatě se ukázalo, že ncRNA může vykonávat obdobné základní funkce jako proteiny, a navíc kódující RNA zprostředkovává přenos informace mezi geny a jejich proteinovými produkty. Tím je RNA do jisté míry univerzálnější než proteiny. U vyšších organismů ovšem na tuto roli připadá jen velmi malá část druhů RNA. Dokonce i v oblastech DNA kódujících proteiny vznikají např. alternativním sestřihem nekódující RNA. Mezi nekódujícími transkripty převažují RNA, jejichž funkce je dosud neznámá (transcripts of unknown function = TUFs). Do této skupiny patří malé i velké RNA, které mohou být, ale často nejsou polyadenylované. Podrobná analýza produktů pocházejících z vybraných deseti lidských chromozomů ukázala, že TUFs většinou pocházejí z mezigenových oblastí, ale mohou být kódovány také např. intronovou DNA.

Příklady transkriptů, jejichž funkce je známá

Již v období vznikajícího centrálního dogmatu bylo jasné, že mRNA (mediátorová – messenger- RNA) je prostředníkem přenosu genetické informace z DNA na proteiny. Zatímco u prokaryotických organismů je RNA často využívána k translaci již v průběhu svého vzniku a prakticky není upravována, u eukaryotických organismů vzniká mRNA často až po sestřihu a dalších úpravách pre- mRNA. Za zvláštní zmínku stojí zejména polyadenylace konců molekul a opatření začátku molekul tzv. čepičkou, která hraje důležitou roli při iniciaci translace a podobně jako polyadenylace alespoň poněkud stabilizuje velmi citlivou mRNA vůči degradaci.

Při studiu proteosyntézy byly objeveny ještě stabilní druhy RNA, které se podílejí na proteosyntéze jako součást ribozomů (rRNA = ribozomální RNA) anebo jako specifičtí přenašeči aminokyselin, resp. narůstajících oligopeptidových a polypeptidových řetězců (tRNA = transferová RNA).

Malé jaderné RNA (snRNA) byly objeveny v jádrech eukaryotických buněk. Podílejí se na řadě důležitých pochodů, mezi něž patří např. sestřih pre-mRNA, regulace některých transkripčních faktorů a údržba telomer. Fungují ve spojení se specifickými proteiny, se kterými vytvářejí malé jaderné ribonukleoproteiny. Velká skupina snRNA se označuje jako malé jadérkové RNA (snoRNA), které hrají důležitou roli např. při chemické modifikaci rRNA, tRNA a snRNA.

Jako ribozymy se označují ty molekuly RNA, které jsou schopny katalyzovat chemické reakce podobně jako enzymy proteinového typu. Spektrum katalytických aktivit u ribozymů není však zdaleka tak široké, jako u enzymů proteinového typu.

Velký zájem je v současné době věnován zejména regulační roli RNA. Jsou objevovány stále nové geny, které kódují tzv. miRNA. Tyto geny kóduje mnohem delší DNA, jejíž primární transkript je postupně na miRNA upravován. Hlavní meziprodukty úpravy primárního transkriptu genu jsou pri- miRNA a pre-miRNA, jejichž další úpravou vzniká duplex miRNA/miRNA‘ a nakonec miRNA. Ta se stane součástí komplexu RISC (RNA- -induced silencing complex), v jehož rámci se miRNA uplatňuje jako transkripční regulátor. Ten interaguje s určitou (nebo s určitými, ale různými) mRNA a potlačuje translaci anebo degradaci cílové mRNA. Tímto způsobem „umlčuje vyjádření“ regulovaných genů. Předpokládá se např., že lidský genom může kódovat přes 1000 druhů miRNA, které mohou ovládat projev asi 60 % genů v různých lidských tkáních. miRNA může být kódována také intronem. Potom úprava na miRNA probíhá poněkud odlišným způsobem. Regulace prostřednictvím miRNA u rostlin a živočichů se také liší, a to zejména nároky na míru komplementarity miRNA a cílové sekvence na mRNA, dále umístěním cílové sekvence na regulované mRNA (v kódující nebo nekódující oblasti mRNA). Důležitým rysem tohoto typu regulace je, že jeden gen pro určitou miRNA může např. u živočichů zajišťovat regulaci projevu celé množiny genů, anebo dokonce několika množin genů, což má za následek vytvoření komplikovaných regulačních sítí.

Transkripty v protisměru (Natural Antisens Transkripts = NATs) jsou již delší dobu důležití hráči v síti regulující projev genů. Počítačová analýza dat o lidském genomu naznačila, že lidské geny mají často své NATs, které mohou pocházet nejen ze stejného místa, ale i z jiných míst na genomu. Bohužel v současné době jsou naše znalosti o mechanismech fungování regulace prostřednictvím NATs dosti nedokonalé. Zdá se, že může existovat mnoho způsobů, jak se může regulace uskutečnit. První mechanismus, který přichází v úvahu, je tzv. transkripční interference, při které protisměrné transkripty mohou fungovat jako inhibitory prodlužování transkriptů regulovaných genů, jejichž transkripční oblast se s protisměrně transkribovanou oblastí alespoň částečně překrývá. Jiné mechanismy jsou založeny na maskovacím efektu vyvolaném NATs. Interakce NAT s transkriptem regulovaného genu na základě komplementarity může ovlivnit jakýkoli proces zahrnující interakci RNA s nějakým proteinem, který je nutný pro úspěšnou genovou expresi. Mezi takové procesy patří např. úpravy pre-mRNA, transport RNA, translace či degradace. Nejdůležitější je patrně aktivace mechanismů závislých na vzniku ds-RNA, k nimž náleží RNA editace a RNAi závislé umlčování projevu genů. Za objev RNAi (RNA interference závislé na vzniku krátké dsRNA, která se označuje jako siRNA – sens-antisens RNA indukující silencing = umlčení či utišení exprese genu) byla udělena Nobelova cena roku 2006 (Andrew Z. Fire a Craig C. Mello). Tento způsob umlčování genů se využívá v modifikované podobě i v genovém inženýrství a siRNA patří k nejlépe popsaným druhům RNA, které nekódují proteiny.

Dobře jsou také charakterizovány např. transkripty RNA komponent RNasyP a telomerázy. Protože studium TUFs je oblastí přednostního zájmu současné molekulární biologie, lze brzy očekávat objevy dalších funkčních RNA známých typů i nových funkcí nekódující RNA.

RNA odpad

V současné době se odhaduje, že počet genů kódujících RNA, která nese definované funkce, např. u savců mnohonásobně převyšuje počet genů kódujících proteiny. Očekává se, že s prohlubujícím se poznáním bude těchto genů přibývat. Podíl RNA o neznámé funkci je však stále velký. Vzniká otázka, zda část RNA nemůže představovat odpad, který vzniká třeba „nedůsledností“ řízení transkripčního procesu. Tato nedůslednost umožňuje „neplánovaně“ zahájit transkripci v různých alternativních místech a pokračovat v transkripci za běžné místo jejího ukončení. Řada poznatků naznačuje, že k podobným jevům na pozadí kontrolované transkripce může docházet, stejně jako dochází ke vzniku spontánních mutací. Nelze ovšem vyloučit, že takový transkripční šum má evoluční význam. Transkripce je proces spojený s rychlou degradací značné části vzniklých produktů, a to především v zájmu účinnosti regulačních pochodů. Lze tudíž předpokládat, že buňky si mohou dovolit vyrábět i značné množství transkripčního balastu, jehož část třeba může mít i nějakou evoluční perspektivu. Na definitivní odpověď na otázky o vzniku balastu a významu „nefunkčních“ RNA však musíme ještě trpělivě čekat.