O diceru^O

Pojmenování „malé RNA“ je zastřešujícím názvem pro několik různých typů molekul s podobnou strukturou a funkcí. Všechny se skládají z tzv. nukleotidů, tedy základních stavebních jednotek, jimiž je tvořena mimo jiné také molekula DNA. Avšak zatímco na výrobu jedné lidské jaderné DNA potřebujeme několik miliard takovýchto podjednotek, pro vznik malých RNA jich stačí necelých třicet. Malá délka jim však nebrání ve vykonávání mnoha důležitých funkcí. Právě podle toho, jakou úlohu v buňce zastávají, a částečně také podle toho, jak vznikají, dělíme malé molekuly RNA do několika skupin, z nichž dvě nejvýznamnější a nejlépe prostudované jsou: mikroRNA, které fungují v dráze miRNA; a krátké interferující molekuly RNA, které se účastní procesu interference RNA. V české i anglické odborné literatuře se běžně používají zkratky, vycházející z anglických názvů všech zmíněných molekul a drah. Molekuly a dráha mikro RNA se shodně zkracují jako miRNA (z angl. micro RNA), krátké interferující molekuly RNA jsou označovány zkratkou siRNA (z angl. short interfering RNA) a interference RNA má zkratku RNAi (z angl. RNA interference).

První z obou zmíněných drah, mikro RNA, pomáhá buňce kontrolovat funkci genů.Molekuly miRNA jsou spolu s ostatními geny zakódovány v DNA, a první fáze jejich výroby se tak odehrává v jádře, kde dochází k přepisu konkrétního genu miRNA ze sekvence DNA do sekvence RNA. Výsledkem tohoto procesu je dlouhá nekódující RNA molekula s malou vlásenkou,¹⁾ která je v jádře vystřižena. Vlásenka pak putuje do cytoplazmy, kde z ní enzym dicer vystřihne finální miRNA. Po vytvoření komplexu s pomocnými proteiny získává miRNA specifickou funkci: je schopna vyhledat v buňce všechny mRNA,²⁾ které jsou jí svou sekvencí podobné, a zabránit jejich translaci, tj. blokovat vznik konkrétních proteinů.

RNA interference

Druhým procesem založeným na malých RNA je takzvaná interference RNA (RNAi), která se v buňkách spouští jako odpověď na přítomnost dvouvláknové RNA (dsRNA). Na rozdíl od miRNA se dvouvláknová RNA v buňkách přirozeně nevyskytuje. Objeví se tam pouze ve (výjimečných) případech, jako je virová infekce nebo zvýšený přepis potenciálně nebezpečných parazitických sekvencí. Buňka proto vnímá dvouvláknovou RNA jako signál nebezpečí, a pokud ji zaregistruje, spustí obranný mechanismus, v němž důležitou roli hraje opět enzym dicer. Ten naseká dvouvláknovou RNA na krátké fragmenty (siRNA), které v doprovodu proteinového komplexu zničí všechny RNA molekuly se stejnou sekvencí nukleotidů. Tento obranný mechanismus se nazývá RNA interference. V praxi to vypadá tak, že pokud se do buňky dostane RNA virus, v určitém okamžiku vytvoří dvouvláknovou RNA, buňka ji rozpozná a použije k výrobě siRNA, která pak zlikviduje všechy virové RNA molekuly se shodnou nukleotidovou sekvencí. Tak si buňka zajišťuje výrobu účinné a vysoce specifické zbraně na zakázku – přesně v ten okamžik a v té podobě, jak zrovna potřebuje – s tím bonusem, že hlavní ingredienci pro výrobu zbraně dodá sám útočník.

Toto zjednodušené schéma nám několik let stačilo k pochopení většiny dějů, které se v souvislosti s miRNA a siRNA v buňkách odehrávají; v poslední době však stačit přestává. Výsledky mnohých experimentů totiž poukazují na to, že celá situace je ještě o něco komplikovanější a že bude potřeba učinit razantní zásah do dosud platných modelů a teorií.

Důležitým objevem přispěli k tomuto tématu také čeští vědci, konkrétně Matyáš Flemr z laboratoře Petra Svobody Ústavu molekulární genetiky AV ČR. Spolu se svými kolegy se dlouhodobě zabývá miRNA a RNAi dráhou v myších oocytech a své poznatky publikoval v listopadu 2013 v prestižním vědeckém časopise Cell.³⁾ Myší oocyty jsou z pohledu malých RNA opravdu výjimečné. Tyto samičí pohlavní buňky jako by šly svou vlastní cestou a úplně ignorovaly zavedený pořádek, který všechny ostatní savčí buňky respektují. Ve většině savčích buněk (včetně myších tělních) mají totiž hlavní slovo miRNA. Interference RNA, která u rostlin a bezobratlých funguje jako vrozená imunitní obrana, byla během evoluce u savců nahrazena mnohem sofistikovanějšími mechanismy a molekuly siRNA jakožto nástroje interference RNA tak v tělních buňkách prakticky nejsou k nalezení. V myších oocytech se to ale zdálo být přesně naopak a nikdo netušil proč. Teprve článek Matyáše Flemra nám předkládá vysvětlení.

Vše se točí kolem enzymu dicer

Jak už jsme zmínili na začátku, dicer spojuje produkci miRNA a siRNA. Lze si proto snadno představit, že i malá změna tohoto enzymu může v dané buňce zásadně ovlivnit rovnováhu mezi dráhou miRNA a dráhou interference RNA. A v našem případě jde o víc než malou změnu. V laboratoři Petra Svobody totiž objevili zcela novou formu diceru, kterou nazvali dicer^o.

Obě formy enzymu vznikají v myším organismu podle instrukce jednoho genu. V tělních buňkách však vzniká normální dicer, který známe i u ostatních savců, zatímco v myším vajíčku vzniká kratší forma tohoto enzymu, dicer^O. Jak je to možné? Za všechno může jedna retrotranspozonová sekvence,⁴⁾ zkracovaná MT (Mouse Transcript), která se během evoluce vložila do genu kódujícího dicer. Fakt, že tuto sekvenci můžeme najít pouze u myšovitých, a ne už u jejich blízkých příbuzných, svědčí o tom, že jde o mutaci relativně nedávného data. Čím dříve totiž k mutační události dojde, tím větší je spektrum potomků mutovaného živočicha, a tím více současných taxonů je mutací postiženo.

Ale zpět k tomu, co má vlastně retrotranspozonová sekvence v myších oocytech na svědomí. Když se za normálních okolností v buňce přepisuje DNA do RNA, musí být nějak určen začátek přepisu. Každému genu proto předchází promotor – speciální značka, která signalizuje přepisovací mašinérii „tady nasedni a odsud začni přepisovat“. Vtip je
v tom, že náš MT retrotranspozon⁵⁾ v sobě přesně takový promotor kóduje. Jakmile došlo k jeho vložení do genu pro dicer, začala přepisovací mašinérie víceméně ignorovat celý začátek genu, včetně původního signálu pro začátek přepisu, a začala používat značku, který v sobě přinesl retrotranspozon. Místo normálně dlouhé RNA kódující dicer tak v myších oocytech vznikala a dosud vzniká pouze její zkrácená forma a následně se podle ní tvoří také zkrácená forma proteinu, nazvaná dicer^o. Tato zkrácená forma však překvapivě neztrácí svou funkci, spíše naopak. Dicer^o štěpí dvouvláknovou RNA na krátké interferující RNA mnohem efektivněji než standardně dlouhý dicer, díky čemuž může v myších oocytech vznikat mnohem více siRNA molekul a dráha interference RNA je v nich mnohem aktivnější než v normálních tělních savčích buňkách. Největším paradoxem přitom je, že – jak už jsme zmínili na začátku – jedním z hlavních úkolů interference RNA v buňkách je obrana proti náporu invazivních sekvencí, včetně těch retrotranspozonových, které mají vznik diceru^o vlastně na svědomí.

Tím ale příběh nekončí. Naopak, experimenty, které vedly k objevu diceru^o , vyprodukovaly řadu vedlejších poznatků, jakýchsi bočních dějových linií, které by se daly bez problému rozvinout v samostatné nové příběhy.

Je například zajímavé, že myší oocyty experimentálně zbavené diceru^O se bez tohoto enzymu už neobejdou, protože krátké interferující RNA v nich získaly i jiné funkce než držet na uzdě parazitické sekvence. Bylo zjištěno, že oocyty, které postrádají dicer^o, mají při meióze⁶⁾ vážné problémy s tvorbou dělicího vřeténka⁷⁾ a vykazují změnu aktivit řady genů, které se mohou na tomto procesu podílet. Nabízí se tedy hypotéza, že siRNA v myším vajíčku mají unikátní funkci – kontrolují produkci proteinů pro dělicí vřeténko, čímž vlastně napodobují funkci miRNA.

Dalším atraktivním tématem je potenciální možnost využití interference RNA pro antivirovou terapii. Myší vajíčko nám demonstruje, že savčí buňka dokáže tolerovat vysoce aktivní RNAi a že aktivovat interferenci RNA v savčích buňkách je relativně snadné – stačí odstranit část proteinu dicer. Pokud bychom našli chemickou látku, která je schopná toto s dicerem provést, byli bychom možná jen krůček od nové strategie léčby virových onemocnění, při nichž se v napadených buňkách vyskytuje dvouvláknová RNA. Viry, tvořící dsRNA, se totiž miliony let adaptovaly na savčí imunitní systém (nezapomeňme, že v běžných savčích buňkách RNAi dráha téměř neprobíhá) a naučily se mu do jisté míry odolávat. Řada z nich však může být nečekaně citlivá na obranný systém, který savci sice vyřadili z arzenálu, ale který ještě úplně nezrezavěl.

Nezbývá než doufat, že to budou znovu čeští vědci, kdo přijdou s novými objevy v této oblasti, a že si o jejich úspěších budeme moct přečíst v některém z příštích Vesmírů.

Autorka článku by ráda poděkovala Mgr. Petru Svobodovi, Ph.D., za cenné připomínky a úpravy textu.