Nejúspěšnější gen v evoluci

Dávno před vznikem moderních forem života sváděly boj o přežití jednodušší protoorganismy, z počátku nejspíše „nahé“ replikující se molekuly nukleových kyselin. Ty se v následující evoluci „oděly“ buňkami a daly základ moderním genům. Nejúspěšnější a nejrozšířenější z nich je ovšem „sobecká“ transpozáza, schopná se vkopírovat do jakékoli části genomu. Jak je to možné?

Od počátků života na Zemi vedou organismy boj o přežití v prostředí s omezenými zdroji. Než vznikla první buňka, soutěžily takto o základní chemikálie primitivní replikátory, tedy molekuly schopné vlastního kopírování. Podle nejpřijímanější hypotézy měly tyto protoorganismy základ v molekulách RNA a zpočátku nesly pouze jeden nebo několik málo genů. Až později vznikly, nejspíše jako stabilnější médium pro uchování komplexní dědičné informace, molekuly DNA s tisíci a desetitisíci genů.

Boje o přežití a snahy o co největší namnožení se tak od pradávna neúčastnily jen buňky či mnohobuněčné organismy, ale z určitého úhlu pohledu také jednotlivé geny. Některým se to dařilo lépe, jiným hůře. A tak se nabízí otázka: Který gen je v přírodě nejhojnější, a tedy evolučně nejúspěšnější?

Sobec rekordmanem

Než evoluce dospěla k současnému pestrému světu s miliony druhů virů, bakterií, archeí a eukaryot, uplynuly takřka čtyři miliardy let. V průběhu tohoto času se organismy přizpůsobovaly změnám prostředí, jejich genomy bobtnaly a získávaly stále více funkcí. Genů přibývalo a vzájemně se kombinovaly evolučně osvědčené moduly. Pátrání po těch nejúspěšnějších by se tak mohlo zdát předem ztraceným podnikem. O to pozoruhodnější jsou výsledky, které přinesla analýza deseti milionů proteinkódujících genů pocházejících z virů, bakterií, archeí a eukaryot [1]. Ta totiž ukázala, že vůbec nejhojnějším genem je gen pro enzym transpozázu. Nejenže se tento pozoruhodný gen vyskytuje u nejvíce druhů, ale také má u nich největší počet kopií. Početností převyšuje i všechny udržovací (housekeeping) geny.

1. Transpozony v lidském genomu, jejich počet a podíly v genomu. Celkem transpozony tvoří téměř polovinu lidského genomu.

Tabulka Eduard Kejnovský

Délka genu pro transpozázu se pohybuje v řádu nižších tisíců bází DNA a je považován za parazitický či také ultrasobecký gen. Představuje totiž klíčovou součást různých mobilních genetických elementů, většinou tzv. DNA-transpozonů (obr. 3), spolu s nimiž se v genomu přemisťuje z místa na místo (viz Vesmír 88, 556, 2009/9). Tyto mobilní genetické elementy totiž mají schopnost se v jednom místě genomu vystřihnout a v jiném zase vložit, případně dokážou svou původní kopii v genomu ponechat, zkopírovat se a novou kopii vložit někam jinam.

Enzym transpozázu nalezneme u bakterií a podobně jednoduchých archeí, ale rovněž u eukaryot vyznačujících se složitějšími buňkami, a dokonce také u některých virů, konkrétně bakteriofágů. Mobilní povaha pomáhá jeho šíření nejen v genomu, ale i mezi druhy pomocí horizontálního genového přenosu. Na genomy se tak z pohledu transpozonů můžeme dívat spíše jako na „ekosystémy“, které kolonizují a obývají, než jako na pevně dané soubory předpisů.

Zahrada transpozabilních elementů

Transpozáza DNA-transpozonů má schopnost vystřihnout DNA-transpozon a vložit ho na nové místo genomu. Při tom stříhá DNA za vzniku dvouřetězcového zlomu, což má na starosti motiv DDE jako aktivní místo katalyzující pohyb (transpozici) většiny DNA‑transpozonů. Transpozázám jsou příbuzné podobné enzymy bez domény DDE. Například serinové nebo tyrosinové rekombinázy, které zajišťují pohyb transpozonů u bakterií, nebo transpozázy využívající mechanismus „valivé kružnice“ u DNA‑transpozonů typu helitron, jež se nacházejí u některých eukaryot. Těmto typům transpozonů jsme se více věnovali v minulosti (viz Vesmír 93, 395, 2014/7).

2. Transpozáza z Bacillus thuringiensis v komplexu s DNA transpozonu, kryoEM struktura. Protein transpozázy je tu bílý až růžový. Textura fragmentů DNA na tomto snímku připomíná sklo.

Snímek Molekuul - knihovna vědeckých fotografií, Sciencephoto, Profimedia

Vedle DNA‑transpozonů existuje i druhá skupina mobilních genetických elementů, tzv. retrotranspozony (obr. 3 a Vesmír 79, 273, 2000/5), které se po genomu šíří prostřednictvím molekul RNA. RNA se v dnešních organismech vždy musí nejprve přepsat podle záznamu v DNA. V tomto případě se tudíž nic nevystřihuje, ale dochází pouze ke zmnožování. Životní cyklus retrotranspozonů má vždy duplikativní charakter a jejich množení vede ke zvětšování genomů. Vložení RNA do genomu obstarávají dva enzymy. Přepis informace z RNA do DNA zajišťuje enzym reverzní transkriptáza a následné včlenění do genomu potom enzym integráza, která je příbuzná výše zmíněné transpozáze.

V lidském genomu se nachází kromě přibližně 300 000 DNA‑transpozonů (což jsou celá 3 % genomu) také asi 850 000 retrotranspozonů LINE (17 % genomu), z nichž má ale jen malá část plnou délku a nese gen pro reverzní transkriptázu. Ten však obsahuje i necelých 100 000 endogenních retrovirů a množství retrotranspozonů LTR (8 % genomu, obr. 1). Gen pro reverzní transkriptázu je tak, vedle transpozázy a integrázy, rovněž jedním z evolučně vysoce úspěšných genů.

Příčiny evolučního úspěchu

Nakonec se ale ještě vraťme k transpozáze. Jaké jsou příčiny jejího evolučního úspěchu? Na první pohled můžeme jmenovat její parazitický charakter – dokáže se šířit v genomu, a dokonce i mezi genomy bez toho, aby svým nositelům něco přinášela. Přesto je zvláštní, že jí to organismy v tak velké míře „trpí“. Není v tom něco víc?

3. Základní typy transpozonů (mobilních genetických elementů). K retrotranspozonům patří zejména endogenní retroviry, Ty3/gypsy a Ty1/copia LTR-retrotranspozony, které kódují strukturní protein GAG, reverzní transkriptázu (RT), integrázu (IN), proteázu (PR) a RNAázuH (RH), a také retotranspozony non-LTR kódující reverzní transkriptázu (RT). K DNA-transpozonům patří transpozony kódující transpozázu (TNP) a helikázu (helitrony) i některé další enzymy nutné pro životní cyklus elementu (u polintonů). Neautonomní krátké MITE vznikly z autonomních DNA-transpozonů a nenesou žádný gen.

Schéma Eduard Kejnovský

Odpovědí by mohlo být, že jde o univerzální nástroj evolučního experimentování s DNA. Pomáhá totiž jejímu množení a také četným přestavbám genomů; dost možná jde o nástroj zcela nepostradatelný pro genomovou evoluci. Transpozony sice na první pohled vypadají jako sobecké či parazitické elementy, jejich škodlivost je ale za většiny okolností výrazně omezená. Za reálných podmínek potom tito „ochočení parazité“ zvyšují mutační dynamiku genomu, a tak napomáhají rozrůzňování a přizpůsobování organismů, čímž usnadňují a urychlují evoluci.

Vedle toho byly transpozony opakovaně domestikovány a využity svými hostiteli i pro různé konkrétní funkce. Jmenovat můžeme například ochranu konců chromozomů u octomilky, vývoj placenty u savců nebo formování imunitního systému obratlovců. Jádrem domestikace bylo často spojení genu kódujícího transpozázu, který má schopnost vázat molekuly DNA, s nějakým jiným genem přinášejícím odlišnou funkci, čímž se repertoár možností tohoto druhého genu značně rozšířil. Netřeba dodávat, že domestikace transpozonů dále napomohla evolučnímu úspěchu genu kódujícího transpozázu.

Není proto divu, že se v průběhu evoluce stal gen pro transpozázu tak úspěšným a namnožil se u většiny organismů do rekordních počtů kopií. Jde o gen a enzym, jehož inherentní vlastností je zajišťovat množení a šíření sebe samého. Kóduje tedy samotnou esenci života, byť pouze v kontextu organismálního genomu. Ba co víc, můžeme bez problémů předpokládat, že enzym s takto všestrannou schopností manipulovat s DNA bude pro organismy představovat značnou výhodu i do budoucna a bude se zřejmě vyskytovat tak dlouho, dokud na Zemi bude vládnout molekula DNA.

Poděkování: Děkuji Pavlu Jedličkovi za pomoc s kresbou obrázků a Zdeňkovi Kubátovi za kritické přečtení rukopisu.