Genom v pohybu

O funkci opakujících se sekvencí DNA, které se nepřekládají do proteinů, se dlouho pochybovalo. Tato tzv. satelitní DNA bývala považována za „genetický šum“ nebo dokonce „odpad“. Dnes však víme, že právě tyto opakující se úseky mají důležitou roli. U pšenice fungují jako čárový kód, podle kterého lze rozeznat jednotlivé chromozomy. A to se v genomu jedné z nejsložitějších plodin na světě opravdu hodí.

Pšenice setá (Triticum aestivum), jedna z nejdůležitějších potravinových plodin světa, má jeden z největších a nejsložitějších genomů mezi kulturními rostlinami. Jeho velikost dosahuje 17 Gb (miliard nukleotidových bází), je tedy více než 5× větší než genom člověka. Na jeho kompletním přečtení se podílel i český tým pod vedením profesora Jaroslava Doležela z Olomouce (Vesmír 97, 718, 2018/12). Genom pšenice je hexaploidní, což znamená, že nese šest kopií každého ze sedmi chromozomů, rozdělených do tří podobných „subgenomů“  označovaných A, B a D. Výsledkem je 21 chromozomů ve třech variantách, které se od sebe často liší jen velmi málo. To činí jejich studium i šlechtění nesmírně složitým, je totiž těžké určit, který chromozom je který. Právě tady vstupuje do hry satelitní DNA.

Ukázka zobrazení satelitní DNA (zeleně a růžově) v chromozomech pšenice pomocí techniky FISH.

Snímek Gálvez-Galván A. et al., 2024, CC BY 4.0

Ne odpad, ale značka

Satelitní DNA tvoří krátké úseky genetického kódu, které se v řadě opakují, někdy stokrát, jindy tisíckrát. V pšeničném genomu se tyto sekvence často nacházejí na koncích chromozomů (telomery), v jejich blízkosti (subtelomery) nebo v centrálních částech (centromery). Každý chromozom přitom nese unikátní kombinaci těchto opakujících se sekvencí, která ho odlišuje od ostatních, podobně jako čárový kód na zboží. Pomocí techniky zvané FISH (fluorescenční hybridizace in situ) lze tyto satelitní sekvence doslova „osvítit“ ve fluorescenčním mikroskopu. Každý chromozom tak dostane své vlastní světelné „razítko“, díky čemuž ho vědci dokážou snadno identifikovat.

Významný španělský biolog Manuel A. Garrido-Ramos se na Univerzitě v Granadě dlouhodobě věnuje výzkumu satelitní DNA a jejím funkcím v různých organismech. Ve svých studiích upozorňuje, že satelitní sekvence nejsou jen pasivními pozůstatky minulosti, ale hrají aktivní roli při organizaci a stabilitě chromozomů, například během dělení buněk nebo párování chromozomů při meióze. V případě pšenice jeho práce jakož i další výzkumy ukazují, že satelitní DNA nejen že označuje jednotlivé chromozomy, ale může také ovlivňovat jejich chování při rozmnožování, přispívat k reprodukční izolaci mezi druhy nebo odrůdami a být důležitá také při šlechtění.

K čemu to lze využít?

Pochopení organizace pšeničného genomu není jen akademická otázka. Umožňuje vědcům přesněji identifikovat užitečné geny, sledovat přenos dědičných znaků a šlechtit pšenici s vyšší výnosností, odolností vůči chorobám nebo klimatickému stresu. Navíc, protože satelitní DNA je velmi variabilní a rychle se vyvíjí, může také pomoci odhalit evoluční historii jednotlivých druhů a poddruhů pšenice a lépe porozumět tomu, jak tato plodina vznikla a jak se vyvíjela v průběhu domestikace.

Zdánlivě monotónní satelitní DNA má překvapivě rozmanité funkce. U pšenice se z ní stal klíčový nástroj pro genetickou orientaci. Jako kdyby měla každý chromozom opatřený štítkem s unikátním čárovým kódem. Díky tomu mohou vědci pronikat hlouběji do genomového labyrintu této složité plodiny a využít to, co bylo dlouho přehlíženo jako genetický odpad, jako přesný značkovací systém.