Foto: © palau83 / Dollar Photo Club

Jak se vlastně měří podobnost DNA?

Co znamená, když se řekne, že „Člověk a šimpanz sdílí 98 % svých genů“?

Kdybychom chtěli zjistit, jak blízce příbuzná si je jakákoli dvojice druhů, třeba jak jsou si příbuzní ježek a opice, ideálním způsobem, jak to provést, by bylo podívat se na kompletní molekulární „text“ každého genu každého z obou druhů. Potom bychom je měli srovnat navzájem, každé písmenko i interpunkční znaménko, stejně jako by postupoval například biblický učenec, který by chtěl porovnat dva svitky nebo fragmenty Izajáše. Jenže to vyžaduje čas, hodně času, nehledě na to, že je to velmi drahé. Projekt lidského genomu trval celých deset let, přičemž v těchto deseti letech je schováno mnoho osobních „staletí“ lidí, kteří tomu věnovali svůj profesní život. Ačkoli dnes už by bylo možné dosáhnout podobného výsledku v pouhém zlomku oněch deseti let, pořád by se jednalo o rozsáhlý a velmi drahý podnik.

Rozluštění lidského genomu se v mé mysli řadí po bok takových úspěchů lidstva, jako bylo přistání Apolla na Měsíci či stavba velkého hadronového urychlovače (který byl spuštěn v Ženevě, zatímco jsem psal tuto knihu – obrovský rozsah takového mezinárodního úsilí mě při jeho návštěvě dojal téměř k slzám), a vzbuzuje ve mně hrdost na to, že jsem člověk. Mám radost, že kromě lidského genomu byl nedávno úspěšně přečten i genom šimpanze a mnoho dalších projektů je na cestě k úspěšnému zakončení. Pokud bychom měli věřit tomu, že současné tempo pokroku v sekvenování vydrží (viz Hodgkinův zákon níže), bylo by brzy ekonomicky myslitelné sekvenovat genomy kteréhokoli páru druhů organismů, jejichž vzájemnou příbuznost bychom rádi změřili. Prozatím se musíme spokojit se sekvenováním jednotlivých částí jejich genomů, ale i to funguje velmi dobře.

Není totiž nutné porovnávat celý genom, můžeme sekvenovat jen některé vybrané geny (nebo proteiny, jejichž sekvence jsou přesným překladem genů) a srovnávat je mezi druhy, jejichž příbuznost nás zajímá. Za chvíli se blíže podíváme, jak to funguje. Existují ale i jiné způsoby, jak nahrubo zjistit požadované výsledky, a technologie pro ně máme k dispozici už delší čas. Jedna ze starších metod, která ale stále pracuje překvapivě dobře, využívá imunitního systému králíků (vlastně můžete použít, jaké zvíře chcete, ale králíci dělají svou práci výborně). Králičí imunitní systém vyrábí jako součást přirozené obrany těla proti cizorodým vetřelcům protilátky proti každému cizímu proteinu, jenž vstoupí do krevního řečiště. Stejně jako byste mohli z protilátek v mé krvi vyčíst, že jsem měl černý kašel, můžete ze současné imunitní odpovědi králíka vyčíst, čemu byl vystaven v minulosti on. Protilátky v krvi králíka tvoří jakousi kroniku všech katastrof, které jeho tělo kdy postihly – a to včetně uměle vpravených proteinů. Když vpravíte do králíka cizí protein, dejme tomu ze šimpanze, protilátky, které se proti tomuto proteinu vytvoří, zůstanou v malém množství v krvi a budou tentýž protein napadat vždy, když ho králíkovi vstříknete znovu. Teď ale předpokládejme, že vaše druhá injekce bude sice tentýž protein, ale nikoli už ze šimpanze, nýbrž tentokrát z gorily. Co se bude dít? Králičí imunitní systém bude díky předešlé reakci s proteinem šimpanze proti gorilí verzi téhož proteinu částečně „předvyzbrojen“, nicméně reakce bude o něco slabší, protože to bude téměř „ono“, ale ne úplně „ono“. Šimpanz i gorila jsou savci. Klokan je taky savec, tudíž králík bude částečně imunizován i proti klokaní verzi proteinu, nicméně reakce bude již o hodně slabší než v předchozím případě: neboť klokan je mnohem méně příbuzný šimpanzi (jehož proteinem jsme králíka imunizovali) než gorila. Síla králičí imunitní odpovědi na následující injekci proteinu je přímo úměrná tomu, do jaké míry si oba proteiny odpovídají. Právě touto metodou demonstrovali v šedesátých letech Vincent Sarich a Allan Wilson z Kalifornské univerzity v Berkeley skutečnost, že lidé a šimpanzi jsou si navzájem příbuznější víc, než si předtím kdokoli uvědomil.

Existují i metody založené přímo na mezidruhovém srovnávání genů místo až jimi kódovaných proteinů. Jednou z nejstarších a přitom nejefektivnějších je takzvaná hybridizace DNA. Právě tento postup stojí obvykle v pozadí tajemných novinových titulků typu „Člověk a šimpanz sdílí 98 % svých genů“. Co přesně je ale takovým či makovým procentuálním vyjádřením myšleno, to obvykle zůstává pro mnoho lidí naprostou záhadou. Devadesát osm procent čeho vlastně je identických? Přesné číslo záleží na tom, jak velké jednotky počítáme. Vše si vysvětlíme na jednoduché ilustrativní analogii, která nám bude nápomocna při pochopení principu. Představte si, že máme dvě verze jedné knihy a chceme je navzájem srovnat. Možná jde o knihu Danielovu a my potřebujeme porovnat kanonickou verzi se starobylým svitkem, který byl právě objeven v nějaké zapomenuté jeskyni u Mrtvého moře. Položíme-li dva texty vedle sebe, můžeme se začít ptát. Kolik procent kapitol obou knih je identických? Pravděpodobně nula, protože stačí, aby se příslušné kapitoly lišily pouze v jednom jediném písmenu či znaku a už nebudou identické. Pokračujme dál. Kolik procent jednotlivých vět je identických? Nyní již bude procento zaručeně větší. Ještě větší bude procento identických slov, neboť slova mají méně písmen než věty – je pravděpodobnější, že i když se poněkud bude lišit kapitola či věty, mnoho jednotlivých slov bude stejných. Ale i slova se mohou lišit, třeba jen jedním písmenem. Z toho plyne, že nejvyšší možné procento identity získáte, vezmete-li dva texty, seřadíte je vedle sebe a srovnáte je písmeno po písmenu. Odhad podobný oněm 98 procentům identity lidských a šimpanzích genů je proto bezpředmětný, dokud nespecifikujeme velikost jednotek, které jsme porovnávali. Počítali jsme kapitoly, slova, písmena nebo co vlastně? To samé co pro texty platí totiž i pro srovnávání DNA dvou druhů. Porovnáváte-li celé chromozomy, sdílené procento je nula, neboť stačí i jedna malá odlišnost, abychom oba chromozomy označili za různé.

Často citovaný obrat o devadesáti osmi sdílených procentech genetického materiálu lidí a šimpanzů ve skutečnosti neodkazuje ani k počtu chromozomů, ani k počtu jednotlivých genů, ale k počtu „písmen“ v DNA (technicky párů bází), které spolu párují uvnitř příslušných lidských či šimpanzích genů. Nicméně celá věc má malý háček. Představte si, že srovnáváte dva vedle sebe položené texty. Když bude v jednom z nich chybět nebo naopak přebývat nějaké písmeno, dojde k tomu, že takový text se vůči druhému „posune“, takže všechna následující písmena si již nebudou odpovídat, neboť budou posunuta vůči správné pozici o počet chybějících nebo naopak přidaných písmen (pokud se ve druhém textu shodou okolností nevyskytne taková chyba, která by texty vůči sobě zase posunula zpět). Odhad vzájemné podobnosti pak může být značně zkreslen a bylo by nefér k tomu nepřihlédnout. Z pohledu učence porovnávajícího dva biblické texty to není problém, s podobnou překážkou se vyrovná zcela automaticky, ovšem způsobem, který je těžké kvantifikovat. Jak potom máme postupovat v případě srovnávání DNA? Zde musíme naši analogii s knihami a svitky opustit a přejít přímo ke skutečnosti, protože – zcela náhodou – je porozumění skutečnosti v tomto případě jednodušší než pochopení jakéhokoli přirovnání.

Zahříváte-li postupně DNA, dojdete k bodu (někde kolem 85 °C), kdy se vazba mezi oběma řetězci dvojšroubovice DNA přeruší a jednotlivé řetězce se od sebe oddělí. Můžete si to představit jako jakýsi bod tání. Když směs zase zchladíte, každá šroubovice se opět spontánně spojí s nějakou další, dokud nachází nějakou, se kterou se může párovat podle základních pravidel párování bází v dvojšroubovici DNA. Člověk by si myslel, že každá šroubovice si najde svého původního partnera, od kterého byla oddělena a s nímž samozřejmě páruje na 100 %. Může tomu tak sice být, ale obvykle to nedopadne takhle úhledně. Rozptýlené fragmenty DNA totiž mají většinou po ruce jiné fragmenty, se kterými mohou nějak párovat. Pokud přidáte oddělené kousky DNA jiného druhu, jednotlivé odpovídající sekvence se spolu „zazipují“ podle podobnosti bez ohledu na to, jakému druhu ten který fragment DNA původně patřil. Z Watsonovy a Crickovy revoluce v molekulární biologii vyplývá pozoruhodný závěr, že DNA je prostě jen DNA. Je jí lhostejné, jestli pochází z člověka, šimpanze nebo z jablka. Jednotlivé fragmenty se budou vesele párovat s komplementárními úseky DNA, kdykoli a kdekoli je najdou. Nicméně síla vazby nebude vždy stejná. Jednovláknový úsek DNA se poutá ke komplementárnímu řetězci tím silněji, čím si jsou podobnější. To proto, že v opačném případě si mnoho z DNA „písmen“ (Watsonových a Crickových bází) nenajde protilehlého partnera, s nímž by mohla vytvořit vazbu. Celková síla vazby obou řetězců navzájem je pak oslabena – jako když máte zip, v němž chybějí některé zoubky.
Jak můžeme takovou sílu vazby měřit? Téměř směšně jednoduchou metodou: změříme její „bod tání“. Vzpomínáte, jak jsem říkal, že bod tání dvojšroubovice DNA je něco kolem 85 °C? Tak je tomu v obvyklém případě u řádně spárované dvojšroubovice. Pokud je ale vazba slabší, protože oba řetězce nepárují ve všech místech po celé délce – jako když se spojí například kus lidské DNA s komplementární částí DNA šimpanze – k přerušení vazby stačí teplota o něco nižší. Kdyby se lidská DNA spárovala s DNA vzdálenějšího druhu (třeba ryby nebo ropuchy), která by jí byla podobná ještě méně, celková vazba by byla ještě slabší a k jejímu přerušení by stačila teplota ještě menší. Rozdíl mezi bodem tání u slepenců různých fragmentů je ve skutečnosti vyjádřením jejich podobnosti, a tudíž i genetické vzdálenosti mezi oběma druhy. Zhruba se dá tak od oka říci, že pokles bodu tání o jeden stupeň Celsia odpovídá přibližně snížení počtu spárovaných bází o jedno procento (což vlastně znamená nárůst počtu chybějících zoubků v zipu o jedno procento).

Tento text je úryvkem z knihy
Richard Dawkins: Největší show pod Sluncem
Argo a Dokořán 2017 (nové vydání)
O knize na stránkách vydavatele
obalka_knihy

Revoluce v energetice: solar space power

Americká posedlost vesmírem se prolne s dalším rostoucím problémem: energií. Během války investují Spojené státy …

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close