Genom v pohybu

Mitochondrie, známé jako „buněčné elektrárny“, ukládají energii do vazeb v molekulách ATP, ale podílejí se i na regulaci genů, buněčné smrti a imunitě. Jsou pozůstatkem pradávných bakterií, které se před dvěma miliardami let staly součástí buňky (Vesmír 95, 354, 2016/6).

Ale mitochondrie jsou také schopné „pumpovat“ svou DNA do buněčného jádra, kde se tato genetická informace následně integruje do chromozomů. Většinu své DNA už do jádra v průběhu evoluce předaly, ale ani ta zbývající část není před tímto procesem zcela chráněna. DNA migrující evolučně mezi organelami buňky se označuje jako „promiskuitní DNA“. Jaderné sekvence pocházející z mitochondrií se nazývají NUMT (nuclear mitochondrial DNA segment). Některé z nich jsou velmi staré, miliony let „zakonzervované“ v lidském genomu jako genetické fosilie. Ale jiné jsou čerstvé, vznikající za života jednotlivce, zejména v neuronech.

Nedávná studie publikovaná v PLOS Biology¹⁾ odhalila, že proces migrace mitochondriální DNA do jádra, dříve považovaný za extrémně vzácný, je poměrně častý. „Naše analýza ukazuje, že se tak děje opakovaně během života, zejména v mozkových buňkách,“ říká spoluautor studie Martin Picard. Mozek je neuvěřitelně náročný na energii. Přestože tvoří jen asi 2 % tělesné hmotnosti, spotřebovává až 20 % kyslíku. To znamená vysokou mitochondriální aktivitu, a tím i vyšší pravděpodobnost, že se něco pokazí.

Neviditelné poškození mozku?

Autoři analyzovali vzorky mozkových tkání více než 1200 starších jedinců a našli stovky nových NUMT, především v prefrontální kůře, tedy oblasti mozku spojené s rozhodováním, plánováním a osobností. V buněčných experimentech pak prokázali, že NUMT vznikají průběžně, zhruba jeden nový přenos za dva týdny, a rychleji se hromadí při poruše mitochondrií. Studie také naznačuje, že „úniky“ mitochondriální DNA do jádra jsou běžnou součástí stárnutí a mohou souviset s délkou lidského života. NUMT tak podle autorů výzkumu představují nově odhalený typ genetické nestability, který může urychlovat stárnutí mozku a přispívat k neurodegenerativním onemocněním. Na rozdíl od krevních buněk, kde se tento proces prakticky neobjevuje, jsou neurony obzvláště zranitelné. „To by mohlo vysvětlovat, proč většina dosavadních genetických studií, které analyzovaly DNA z krve, tuto formu poškození přehlédla,“ dodává Picard.

DNA jako virus

Způsob, jakým se mitochondriální DNA integruje do jaderného genomu, připomíná mechanismus některých virů nebo takzvaných „skákajících genů“ (retrotranspozonů), které mění svou pozici v rámci genomu. Mitochondrie tak fungují nejen jako energetická centra, ale i jako genetické entity schopné zasahovat do integrity jaderné DNA. Pokud se NUMT náhodně vloží do důležitého genu nebo regulační oblasti, může to narušit normální fungování buňky, zejména u neuronů, které se na rozdíl od jiných buněk téměř nedělí a méně efektivně opravují DNA.

Stres jako spouštěč

A co vlastně způsobuje, že mitochondrie „vyplivnou“ svou DNA? Vědci zkoumali i kultivované kožní buňky a zjistili, že mitochondriální DNA se integruje do jádra mnohem častěji, když jsou buňky vystaveny stresu, především tomu, který míří na mitochondrie samotné. To může mít důsledky pro lidské zdraví, protože chronický stres, toxiny nebo poškození mitochondrií například při neurodegenerativních chorobách mohou přispívat k akumulaci NUMT. Zvláštní zmínku si zaslouží chromozom Y, který nesou pouze muži. V tomto malém pohlavním chromozomu, už tak geneticky chudém a postupně degenerujícím, se NUMT často hromadí. Evolučně se tak chromozom Y jeví jako „úložiště genetického odpadu“.

Biologické „čárové kódy“

Některé studie navrhují využití NUMT jako biomarkerů mozkového zdraví. Tím, že sledujeme, v jakém množství a kde se NUMT vyskytují, můžeme získat informace o tom, jak rychle mozek stárne nebo jestli nečelí skrytému poškození. Výzkum NUMT je stále v plenkách, ale rychlý rozvoj technologií, jako je sekvenování jedné buňky (single cell genomics) nebo CRISPR/Cas9, umožňuje tyto fragmenty lépe mapovat. Kdo ví, možná v budoucnu zjistíme, že tyto drobné útržky dávné DNA nejsou jen vedlejší produkty evoluce, ale aktivní hráči ve fungování mozku. Podobně jako jsou důležité i původně parazitické „skákající geny“ (retrotranspozony LINE1) při normálním i patologickém vývoji mozku (viz Vesmír 92, 197, 2013/4).