Dějiny buněčných elektráren

Tohle je příběh dvou setkání. První se odehrálo ve starohorách, druhé o dvě miliardy let později. Z prvního se zrodila buňka vyzbrojená mitochondriemi, druhé dalo vzniknout vědecké skupině, která se na katedře parazitologie Přírodovědecké fakulty UK věnuje anaerobím prvokům. Obě setkání spolu souvisejí těsněji, než by se na první pohled zdálo.

Kdy přesně se odehrála jedna z nejvýznamnějších událostí v evoluci života, nevíme. Spokojme se s konstatováním, že přibližně před dvěma miliardami let (plus minus nějaký ten stamilion) se dva jednobuněčné organismy spojily v nerozlučném, dodnes trvajícím svazku.

Vše nasvědčuje tomu, že zástupce skupiny Archaea nebo od ní odvozený primitivní eukaryot pohltil α-proteobakterii. (Do stejné skupiny bakterií dnes patří například Rhizobium fixující dusík v kořenech bobovitých rostlin.) Proteobakterie si na život uvnitř svého hostitele zvykly natolik, že se staly jeho nedílnou součástí. Dnes jsou z nich mitochondrie – organely označované za „buněčné elektrárny“, protože v nich probíhá významná část buněčného dýchání, jímž se z živin uvolňuje energie využívaná následně k pohonu životně důležitých biochemických reakcí.

Ochočení mitochondrií byl důležitý krok na cestě k plnohodnotné eukaryotické buňce, která je dnes základní stavební jednotkou všeho živého s výjimkou archeí a bakterií – od trepky přes kvasinku po rostliny a člověka. Podobným procesem, endosymbiózou, vznikly i plastidy fotosyntetických organismů.

Mitochondrie umožňují eukaryotické buňce efektivně využívat živiny. Bez nich by byla odkázána na procesy nevyžadující kyslík (glykolýzu, různé druhy kvašení). V mitochondriích se souběžně s oxidací organických látek redukují přenašeče elektronů, které tvoří řetězec končící přenosem čtyř elektronů a čtyř protonů na molekulu kyslíku za vzniku vody. Při tom se uvolňuje značná energie, která se ukládá do vazeb v molekule ATP a je předávána k dalšímu využití.

Ale prvoci obývající sedimenty a útroby živočichů žijí v prostředí bez kyslíku a efektivní mitochondriální elektrárnu k uvolňování energie z živin využívat nemohou. Není tedy divu, že v mnoha z nich typické mitochondrie scházejí, místo nich mají organely jen částečně podobné mitochondriím. Odkud se vzaly a k čemu slouží? Tato pro pochopení evoluce života významná otázka nás přivádí k druhému z avizovaných setkání…

Nová organela

Přesuňme se ze starohor na počátek sedmdesátých let minulého století. Tehdy na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy spojili síly odborník na parazitické prvoky Jaroslav Kulda a dva biochemici, manželé Jiří a Apolena Čerkasovovi.

Kulda byl žák zakladatele české parazitologie Otto Jírovce. Jiří Čerkasov, jehož otec přišel na pozvání TGM z Ukrajiny, absolvoval v šedesátých letech stáž v belgické Lovani u Christiana de Duvea, pozdějšího laureáta Nobelovy ceny za objev peroxizomu a lysozomu. V jeho laboratoři se naučil oddělovat jednotlivé buněčné frakce. Specializoval se na studium buněčných dějů pomocí elektrochemických metod.

Kulda s Čerkasovem začali zkoumat pohlavně přenosné parazity – trichomonády (Trichomonas vaginalis, bičenku poševní a T. foetus, bičenku dobytčí). „Apolena byla jejich úzkostlivě pečlivou experimentátorkou a hyperkritickou pozorovatelkou. S Jiřím tvořili svérázný, nezapomenutelný pár. Když se neshodli, začali se před očima studentů prát, házeli po sobě houbou, kroutili si ruce,“ vzpomíná Čerkasovův žák Ivan Hrdý, dnes vedoucí katedry parazitologie.

Zaměřili se na organely, jimž se tehdy říkalo paraaxostylární granula a nevědělo se, k čemu slouží. Pomocí vlastnoručně vyrobených kyslíkových elektrod měřili množství kyslíku v suspenzi těchto organel a studovali jejich biochemické funkce.

Zjistili, že jsou schopny redukovat kyslík. Napadlo je tedy, že by se mohlo jednat o degenerované mitochondrie, které v prostředí bez kyslíku ztratily svou původní funkci centra buněčného dýchání. Svou hypotézu však tehdy publikovali jen v abstraktech. „V té době ještě byla abstrakta považována za plnohodnotné publikace. Dnes samozřejmě nejsou nikde citována, takže o jejich tehdejší práci svět příliš neví,“ říká Jan Tachezy, další z pokračovatelů díla otců-zakladatelů české biochemické parazitologie.

Paralelně s pražským výzkumem se trichomonádami zabývali Miklós Müller a Donald Lindmark na Rockefellerově univerzitě v New Yorku. A zatímco Čerkasovovi s Kuldou se zabývali hlavně oxidativním metabolismem, Müller s Lindmarkem se zaměřili na jiné aspekty. V tajemných organelách objevili enzymy typické pro anaerobní bakterie, např. Clostridium. Trichomonády díky nim produkovaly vodík. V publikaci z roku 1973 Lindmark s Müllerem svůj objev popsali a pro paraaxostylární granula navrhli nový název: hydrogenozom.¹⁾

Že hydrogenozomy dovedou využívat kyslík jako konečného příjemce elektronů v dýchacím řetězci, publikovali Čerkasov s kolegy v regulérním časopise až v roce 1978.²⁾ V té době však už kvůli přítomnosti anaerobních enzymů nabývala na popularitě myšlenka, že hydrogenozomy nemají s mitochondriemi nic společného.

Nebyl to nějaký zanedbatelný detail, který by patřil nanejvýš do poznámky pod čarou na straně 428 učebnice protistologie. Pokud by se nezávislý původ hydrogenozomů (a tedy naprostá absence mitochondrií) potvrdil, znamenalo by to, že se některé z prvních eukaryotických buněk nespojily s α-proteobakterií, ale s nějakou anaerobní bakterií. Anaerobní prvoci, kteří mají místo mitochondrií hydrogenozomy nebo kterým jakékoliv podobné organely chybějí, by tak patřili do samostatné vývojové větve, která se od ostatních eukaryot odštěpila hned na počátku jejich evoluce. Thomas Cavalier-Smith pro tuto hypotetickou skupinu navrhl v roce 1983 název Archezoa.

„Původní názor Kuldy s Čerkasovem, že hydrogenozomy jsou vlastně degenerované mitochondrie, které se sekundárně adaptovaly na anaerobní podmínky, zůstal zcela nepovšimnut,“ komentuje tehdejší „rozložení sil“ Ivan Hrdý.

Archezoa se hroutí

Představa, že hydrogenozomy nemají s mitochondriemi nic společného a jejich nositelé tvoří prastarou vývojovou větev eukaryotických organismů, převládala až do devadesátých let. Pak se situace začala i přičiněním pražských parazitologů komplikovat.

Trichomonáda byla stále hlavním objektem jejich zájmu, začali se však dívat na zoubek (či spíše pod buněčnou membránu) i dalším druhům, především lamblii střevní (Giardia intestinalis).

U obou zmíněných druhů byly na přelomu tisíciletí popsány nové organely – mitozomy (u lamblie i zásluhou pražské parazitologické školy).⁴⁾ Mitozomy, stejně jako hydrogenozomy, nemají žádnou vlastní DNA, zatímco mitochondrie si i po miliardách let stále uchovaly část původní genetické informace, byť většina z ní vymizela nebo přešla do buněčného jádra. Od hydrogenozomů se mitozomy odlišují tím, že neprodukují vodík ani energií nadupanou molekulu ATP. Na první pohled není důvod spatřovat u nich nějakou podobnost s mitochondriemi.

K rozřešení rébusu pomohl nástup nových metod, především možnost číst stále rychleji a levněji genetické sekvence, později celé genomy. „Skutečnost, že námi zkoumané organismy jsou tak odvozené, nás donutila hodně koukat na sekvence. Hledat podobnosti tam, kde zdánlivě žádné nejsou,“ říká Pavel Doležal, další člen pražského parazitologického týmu.

Není náhoda, že první sekvenátor na fakultě byl právě na katedře parazitologie. Podmínky, v nichž pražský tým pracoval, se výrazně zlepšily i díky tomu, že Jaroslav Kulda získal počátkem devadesátých let jeden z prvních velkých rozvojových grantů. Asi pět milionů, na tehdejší dobu velké peníze. „Zmodernizovali jsme laboratoř, chodily tam pak návštěvy dívat se na to, jak moderní laborka vypadá. Vybavením jsme konečně začali být konkurenceschopní na světové úrovni, tehdy jsme začali pořádně dělat molekulařinu,“ vzpomíná Ivan Hrdý.

V roce 1996 nalezly tři na sobě nezávislé týmy v hydrogenozomech trichomonád takzvané proteiny teplotního šoku typické pro mitochondrie. Důkazů v podobě proteinů či celých metabolických drah a jim příslušných genů ukazujících na společný původ mitochondrií, hydrogenozomů a mitozomů postupně přibývalo, velkou zásluhu na tom měl opět pražský tým.⁴⁾

Dnes panuje všeobecná shoda na tom, že hydrogenozomy a mitozomy nejsou nic jiného než redukované mitochondrie, Čerkasovovi s Kuldou měli už před čtyřiceti lety pravdu. Archezoální hypotéza padla.

Jde to i bez nich

Pokud anaerobní prvoci redukované mitochondrie nepotřebují k buněčnému dýchání, proč se jich nezbavili úplně? Zdá se, že v naprosté většině eukaryot mají mitochondrie a od nich odvozené organely alespoň jednu důležitou funkci: zajišťují syntézu takzvaných železo-sirných center (Fe-S klastrů). Ty jsou pro život naprosto zásadní. Slouží jako kofaktory mnoha proteinů, mimo jiné enzymů zajišťujících chod redoxních reakcí, bez nichž žádná buňka nemůže existovat.

Právě řešení otázky, kde u anaerobních prvoků dochází k tvorbě Fe-S klastrů, kterou si položil Jan Tachezy, vedla k objevu mitozomů a přispěla k poznání původu hydrogenozomů.

Sotva si však odborný svět zvykl na to,  že skutečně všechny eukaryotické organismy mají mitochondrie, byť třeba ve velmi redukované podobě, pražští parazitologové začínají příběh opět komplikovat.

Vladimír Hampl se s kolegy rozhodl prozkoumat oxymonádu Monocercomonoides, zvířecího symbionta ze skupiny, u níž předtím stopy po mitochondriích nikdo nehledal. První fáze sekvenování neodhalila žádné „obvyklé podezřelé“ – scházely jak geny pro proteiny teplotního šoku, tak pro syntézu Fe-S klastrů.

„Vypadalo to, že tam skutečně žádná mitochondrie není. Jenže prokázat neexistenci něčeho v principu nejde. Abychom si byli co nejvíce jisti, nezbývalo než osekvenovat celý genom a důkladně ho prohledat,“ říká Vladimír Hampl. Technika naštěstí pokročila natolik, že se ještě před pár lety nadlidský úkol dal zvládnout i s běžným grantem GAČR.

A skutečně se ukázalo, že v Monocercomonoides žádná mitochondrie není, v jejím genomu scházejí všechny charakteristické geny. Zbývalo vyřešit otázku, jak tedy prvok syntetizuje Fe-S klastry, protože to dělat zkrátka musí.

Analýza genomu odhalila alternativní metabolickou dráhu známou z některých bakterií. „Prvok ji zřejmě získal laterálním přenosem genů od nějaké volně žijící bakterie,“
vysvětluje Hampl.

Existence skutečně bezmitochondriálního eukaryotického organismu je horká novinka, v květnu ji tým publikoval v Current Biology.⁵⁾ Znamená to, že se Archezoa vracejí na scénu?

Kdepak. Blízcí příbuzní zkoumané skupiny redukované mitochondrie mají, je tedy jasné, že ztráta je sekundární. Monocercomonoides zkrátka dotáhl redukci nejdál. „Je to kontinuum. Nejdřív byla známa jen mitochondrie, pak hydrogenozom, pak ještě redukovanější mitozom, časem byly objeveny přechodové formy mezi těmito základními typy a nyní úplná ztráta této organely,“ komentuje to Jan Tachezy.

Přesahy do praxe

Doménou pražského týmu parazitologů je základní výzkum, to však neznamená, že nemá praktický význam. Bičenkou poševní, která způsobuje trichomoniázu, se na světě ročně nakazí 270 milionů lidí. Jediným účinným lékem je metronidazol, který využívá neobvyklý anaerobní metabolismus trichomonád. Je proto záhodno jejich metabolickým pochodům co nejlépe porozumět.

Každý desátý nemocný je navíc nakažen rezistentním kmenem. „A rezistenci k metronidazolu nikdy nepochopíme, pokud nepochopíme hydrogenozom,“ zdůrazňuje další člen pražské skupiny, Róbert Šuťák. Připočtěme k tomu skutečnost, že nákaza bičenkou zvyšuje riziko infekce virem HIV, protože prvok ovlivňuje chování imunitního systému. „U nás to nemá velký význam, ale když je v Africe běžně 30 % populace nakaženo trichomonádami, a také výskyt HIV je vysoký, je třeba tomu věnovat pozornost,“ říká Jan Tachezy.

„Pochopení mechanismu tvorby Fe-S klastrů může pomoci také při pochopení chorob, jako je Friedreichova ataxie, při níž je tato tvorba porušena,“ připomíná Šuťák. Friedreichova ataxie je dědičné onemocnění způsobující těžké poruchy koordinace pohybů a další postižení.

Další směry pražského výzkumu přinášejí poznatky zprostředkovaně důležité například pro studium rezistence bakterií vůči antibiotikům nebo pro využití popsaných metabolických drah k výrobě etanolu z celulózy. „Když se člověk skrze genomy podívá do hloubky metabolických procesů, vždy tam najde něco důležitého,“ uzavírá Pavel Doležal.

Partnerem článku je Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, která jeho vznik podpořila.