Nonstop trypanozoma

Proč se bičíkovec, námi pojmenovaný Blastocrithidia nonstop, tak velmi dramaticky odklonil od univerzálního genetického kódu? K čemu může být obskurnímu prvokovi taková odchylka užitečná? A jaké může mít nový poznatek důsledky pro člověka?

Všichni se shodneme, že dub se výrazně liší od bakterie a žádný z nich se ani v nejmenším nepodobá viru či žralokovi. Přesto mají tyto a další formy života, tolik odlišné svým vzhledem, něco společného. Touto dobře skrytou společnou vlastností je stejný (a proto označovaný jako univerzální) genetický kód. Lze ho charakterizovat jako soubor pravidel převádějících genetickou informaci z DNA do proteinů (neboli bílkovin), které určují vzhled a funkce daného organismu.

Univerzální genetický kód

Univerzální genetický kód. Počáteční metionin je vyznačen zeleně, stop kodony červeně a ostatní aminokyseliny modře.Schéma Vesmír

DNA je známá zkratka pro deoxyribonukleovou kyselinu, kterou má každý organismus na naší planetě uloženou v jádře svých buněk a kterou si můžeme představit jako tlustou encyklopedii, obsahující místo jednotlivých hesel tzv. geny. Geny jsou jasně vymezené úseky DNA, z nichž každý nese přesnou informaci pro konkrétní protein, zapsanou jako specifické heslo podle univerzálního genetického kódu. Například lidská DNA by svojí délkou ve vytištěné formě zaplnila 400 dílů Encyclopædie Britannica (viz rámeček), kterých je ve skutečnosti jen 32.

Geny kódované v DNA jsou přepsány do mRNA a genetická informace je přenesena z jádra do cytoplazmy, kde se setkává s továrnou na proteiny zvanou ribozom (obr. 1). To je skutečná výrobní linka buněk, jinými slovy geniálně elegantní molekulární dekodér. Právě na něm probíhá složité převedení čtyřpísmenového textu mRNA do dvacetipísmenového textu bílkovin (obr. 2). Prostředníkem tohoto převodu jsou molekuly transferové RNA (tRNA), které ribozomu slouží jako luštitelská příručka.

Schéma syntézy proteinu na ribozomu se znázorněnou funkcí mRNA a tRNA.Schéma Vesmír

Poté, co ribozom rozpozná začátek genu, překládá vždy tři po sobě následující báze (tzv. kodon nebo též triplet) mRNA do jedné aminokyseliny. Jak ribozom kodon po kodonu pročítá mRNA, propojují se příslušné aminokyseliny postupně jedna po druhé do vznikajícího aminokyselinového řetězce = proteinu (obr. 1). Pro tento proces je nezbytná právě molekula tRNA. Zjednodušeně lze říci, že každý kodon má svoji „pasující“ tRNA, která ho bezpečně pozná díky svému antikodonu. Na základě tzv. komplementárního párování kodonu s antikodonem přinese tRNA na ribozom přesně tu aminokyselinu, která má být podle genetického kódu do aminokyselinového řetězce zařazena.

Aby ribozom správně poznal nejen začátek genu, ale i jeho konec, tři kodony (UAA, UAG a UGA) slouží jako tzv. stop kodony (obr. 2). Ve chvíli, kdy se k nim dostane ribozom, překlad každého genu končí, syntetizovaný protein se z ribozomu uvolní a začne plnit svou specifickou buněčnou úlohu. Proč a jak se vyvinul právě tento redundantní kód a proč právě v této kombinaci čtyř a dvaceti písmen, proč má vše živé tři stop kodony, a ne jeden či sedm, zůstává velkou záhadou. Jedno je ale jisté – výše popsaný genetický kód vznikl na Zemi pouze jedenkrát, ve společném předkovi všeho živého tvorstva, a to před několika miliardami let. Od té doby se jím řídí pranepatrné viry i obří velryby.

Rozlousknutí těchto dekódujících pravidel kodon-aminokyselina, která představují základ tzv. centrálního dogmatu molekulární biologie, tj. přenosu genetické informace z DNA přes RNA do proteinu, nebylo nic snadného. Důkazem budiž řada Nobelových cen, které na toto téma začaly být udělovány v roce 1962. Přímo za rozluštění genetického kódu ji získali roku 1968 Marshall Nirenberg, Gobind Khorana a Robert Holley.

Univerzální, až na výjimky

Časopis Nature si tentokrát vybral článek českých autorů pro titulní stranu. Obálka časopisu Nature Leoš Shivaya Valášek a Kelly Krause, Nature

I když genetický kód zůstává již po několik miliard let neměnný, naše původní představa o jeho naprosté univerzálnosti se za posledních 20 let poměrně značně změnila. Výzkum z poslední doby, včetně toho našeho, jasně ukazuje, že si už nelze dále namlouvat, že genetický kód je dokonalost sama, protože evoluce takto prostě nefunguje. Slavný biolog Stephen Jay Gould evoluci přirovnal k opilci, který při chůzi z bodu A do bodu B vrávorá, odbočuje či upadá, ale nakonec do bodu B přece jen dojde. Tak nějak to asi bylo i s genetickým kódem, který nevymyslel geniální programátor, nýbrž se stal produktem série nepředvídatelných událostí. Jak to vtipně nazval spoluobjevitel struktury DNA Francis Crick, jeho ustanovení lze nejlépe popsat jako „zamrzlou náhodu“.

Fascinující vlastností živého světa totiž je, že (téměř) žádné pravidlo není bez výjimek. Dříve či později se najde organismus, který si jakékoli pravidlo v průběhu evoluce tak či onak pozmění či přímo „ohne“. Takže i když se u genetického kódu – tohoto společného jmenovatele všeho živého – dlouho předpokládalo, že jakékoliv jeho zásadní změny jsou nepřípustné, protože každá větší odchylka musí být z definice smrtelná, ve skutečnosti tomu tak není.

Současné neuvěřitelné tempo sekvenování DNA desítek tisíc organismů ukazuje, že tu a tam si některý tvor tento genetický kód opravdu trochu „ohnul“, v některých případech dokonce pořádně, a přesto přežil. Ačkoli stále platí, že přibližně 99,99 % organismů ho má stejný, tj. přesně takový, jaký ukazují učebnicová schémata (obr. 1 a 2), dosud bylo popsáno 32 různých typů odchylek. Tyto tzv. nestandardní genetické kódy se od univerzálního liší často jen nepatrně, např. změnou jen jednoho kodonu pro jednu aminokyselinu, ale v několika pozoruhodných případech jsou tyto odchylky poměrně dramatické. Patří mezi ně i genetický kód, v němž je stop kodon čten jako smysluplný kodon, tj. místo ukončení tvorby proteinu je mu přiřazena aminokyselina a syntéza pokračuje nerušeně dál.