Sciencemag.cz
Doporučujeme
Regulace genové exprese také znamená, že zcela totožný soubor genů dává v průběhu života vzniknout výrazně odlišným tvorům. Každý propracovaný a složitý žluťásek začíná jako poněkud méně působivá zelená housenka. Dramatické metamorfózy od jedné formy k druhé je dosaženo čerpáním z odlišných částí téhož celkového souboru informací uložených v jediném genomu a jejich různorodým využitím. Regulace genové exprese ale není důležitá, jen když organismus roste nebo se vyvíjí. Představuje také jeden z hlavních způsobů, jímž všechny buňky upravují své fungování a strukturu, aby přežily a přizpůsobily se, když se změní prostředí, v němž žijí. Pokud například bakterie narazí na nový zdroj cukrů, rychle zapne geny potřebné k trávení cukru. Jinak řečeno, bakterie obsahuje samoregulační systém, který automaticky vybere správnou genetickou informaci potřebnou ke zvýšení šance na přežití a rozmnožení.
Biochemici identifikovali mnoho základních mechanismů, jimiž se plní různé úkony genové regulace. Existují bílkoviny, jež fungují jako takzvané „represory“, které vypínají geny, nebo jako „aktivátory“, které geny naopak zapínají. Dělají to tak, že vyhledávají a vážou se na specifické sekvence DNA v blízkosti genu, který má být regulován, čímž se zvyšuje či snižuje pravděpodobnost vytvoření mediátorové RNA a jejího odeslání do ribozomu, kde vzniká bílkovina.
Je důležité vědět, jak to všechno funguje na chemické úrovni, nicméně vedle toho, že se ptáme, jak jsou geny regulované, chceme také pochopit, které geny jsou regulované, jestli jsou zapnuté nebo vypnuté a proč. Zodpovězení těchto otázek nás přivede na novou úroveň porozumění. Můžeme se díky tomu dozvědět, jak se informace uložená v genomu poměrně uniformního lidského vajíčka použije k řízení vzniku všech těch stovek rozličných typů buněk přítomných v dítěti, jak může nový lék na srdce zapínat a vypínat geny, aby poopravil chování buněk srdečního svalu, jak bychom mohli předělat geny bakterií, aby vyráběly nové antibiotikum, a mnoho dalšího. Když budeme na regulaci genové exprese pohlížet z této perspektivy, začne být zřejmé, že se bez konceptů založených na zpracovávání informací neobejdeme.
Tento vlivný směr uvažování vzešel z výzkumů Jacquese Monoda a jeho spolupracovníka Françoise Jacoba, kteří v roce 1965 společně získali Nobelovu cenu. Věděli, že bakterie Escherichia coli, kterou studovali, přežívá na jednom či druhém ze dvou cukrů. Rozložení každého z nich vyžadovalo enzymy vyráběné odlišnými geny. Ale jak se bakterie rozhodly, jak mezi těmi dvěma cukry přepínat?
Vědci navrhli brilantní sérii genetických pokusů, jež odhalily logiku, která za tímto specifickým příkladem regulace genové exprese stojí. Ukázali, že když se bakterie živí jedním cukrem, represor vypne klíčový gen potřebný k tomu, aby se mohla živit cukrem alternativním. Když je však alternativní cukr k dispozici, bakterie rychle potlačený gen umožňující trávení jiného zdroje opět zapne. Rozhodující roli v tomto přepnutí sehrává samotný alternativní cukr: váže se na represorovou bílkovinu, zabrání jí náležitě fungovat a umožní potlačenému genu, aby se zase zapnul. Je to úsporná a přesná metoda, jak docílit účelného chování. Evoluce vybavila bakterie schopností zaznamenat přítomnost alternativního zdroje energie a tuto informaci pak využít k uzpůsobení svých vnitřních chemických procesů.
Nejpůsobivější je, že Jacob a Monod tohle všechno zvládli v době, kdy nikdo nedovedl přímo purifikovat konkrétní geny a proteiny, jež jsou do tohoto procesu zapojené. Problém vyřešili tak, že na své bakterie pohlíželi prizmatem informace, díky čemuž nemuseli znát všechny specifické chemikálie a složky stojící za buněčným procesem, který studovali. Místo toho využili přístup založený na genetice: na mutování genů zapojených do procesu a zacházení s geny jako s abstraktními informačními komponentami, jež regulují genovou expresi.
Jacob napsal knihu The Logic of Life (Logika života) a Monod svazek Chance and Necessity (Náhoda a nutnost, český překlad vyšel ve stejnojmenném sborníku, který uspořádal Anton Markoš). Oba pojednávají o podobných otázkách, jimiž se zabývám i já, a oba mě značně ovlivnili. S Monodem jsem se nikdy nepotkal, ale s Jacobem jsem se sešel mnohokrát. Naposledy jsem ho viděl, když mě v Paříži pozval na oběd. Chtěl hovořit o svém životě a diskutovat o různých otázkách, například definici života, filozofických dopadech evoluce či odlišnosti zásluh francouzských a anglosaských vědců o dějiny biologie. Kvůli starým válečným zraněním sebou neustále vrtěl a působil jako archetyp francouzského intelektuála: neuvěřitelně sečtělý, rozvážný, učený a politicky uvědomělý. Bylo to úžasné a nezapomenutelné setkání.
Jacob a Monod působili v době, kdy se rodilo povědomí o tom, jak informace proudí od sekvence genu k proteinu a pak k buněčné funkci a jak tento tok probíhá. Přístup zaměřený na informaci ovlivňoval moje uvažování. Když jsem zahájil svou badatelskou kariéru, chtěl jsem vědět, jak buňka interpretuje vlastní stav a jak organizuje své vnitřní chemické pochody a řídí buněčný cyklus. Nechtěl jsem jen popsat, co se během buněčného cyklu děje, ale toužil jsem pochopit, co buněčný cyklus reguluje. To znamená, že jsem se často vracel k úvahám o buněčném cyklu z hlediska informace a nepřemýšlel jsem o buňce jen jako o chemickém stroji, nýbrž stejně jako Jacob s Monodem i jako o logickém a výpočetním stroji, který vděčí za svou existenci a budoucnost schopnosti zpracovávat informace a nakládat s nimi.
V posledních desetiletích biologové vyvinuli výkonné nástroje a investovali mnoho úsilí do identifikace a vytvoření výčtu různorodých částí živých buněk. Moje laboratoř kupříkladu vynaložila velké množství práce na osekvenování celého genomu poltivé kvasinky. Dělali jsme na tom s Bartem Barrellem, spolupracovníkem Freda Sangera, který v 70. letech vymyslel metodu sekvenování DNA. S Fredem jsem se během projektu několikrát setkal, ačkoli byl tehdy oficiálně již v penzi. Byl to docela tichý, vlídný muž a podobně jako mnoho jiných veleúspěšných vědců, jež jsem během let potkal, vždycky povzbuzoval mladší vědce mého typu. Když přišel do Bartovy laboratoře, vypadal jako zmatený zahradník, ale byl to zahradník, který dostal dvě Nobelovy ceny!
S Bartem jsem organizoval společné úsilí asi tuctu laboratoří z celé Evropy přečíst všech přibližně 14 milionů písmen DNA v genomu poltivé kvasinky. Na dokončení projektu se podílelo asi 100 lidí a trval zhruba tři roky. A pokud si dobře vzpomínám, šlo o třetí eukaryotický organismus, jehož genom byl zcela a správně osekvenován. To bylo v roce 2000. Dnes lze tentýž genom osekvenovat ve dvou lidech asi za den! Sekvenování DNA udělalo za posledních dvacet let obrovský pokrok.
Shromažďování podobných dat je důležité, ale jde jen o první krok na cestě k zásadnímu a náročnějšímu cíli – pochopit, jak dohromady vše funguje. S ohledem na tento cíl si myslím, že největšího pokroku dosáhneme, když na buňku budeme pohlížet jako na entitu vytvořenou z řady individuálních modulů, jež spolupracují na dosažení komplexnějších vlastností života. Slovo modul zde používám k popisu souboru částí, jež fungují jako jednotka, aby vykonávaly konkrétní funkci spjatou se zpracováváním informací.
Podle této definice by Wattův rotor byl „modulem“ s jasně definovaným účelem, jímž je zabránit stroji běžet příliš rychle. Dalším příkladem je genový regulační systém řídící využívání cukrů bakteriemi, který objevili Jacob s Monodem. Z informačního hlediska fungují oba uvedené systémy podobně: jsou to příklady informačně-procesních modulů, kterým se říká negativní zpětnovazební smyčky. Tento typ modulů lze využít k udržení rovnovážného stavu a v biologických procesech mají široké uplatnění. Pomáhají například udržet hladinu krevního cukru na relativně konstantní úrovni i poté, co sníme sladký pamlsek. Buňky slinivky detekují přebytek cukru v krvi a reagují uvolněním hormonu inzulinu do krevního řečiště. Inzulin poté aktivuje buňky v játrech, svalech a tukové tkáni, jež cukr z krve absorbují a přemění jej na nerozpustný glykogen nebo tuk, který se uloží k pozdějšímu použití.
Odlišným typem modulu je pozitivní zpětnovazební smyčka (pozitivní zpětná vazba), jež může vytvářet nevratné přepínače, které po zapnutí už nelze vypnout. Pozitivní zpětná vazba reguluje například dozrávání jablek. Buňky zrajícího jablka produkují plyn zvaný etylen, který urychluje zrání a zároveň zvyšuje tvorbu etylenu. Jablka proto nikdy nebudou méně zralá a sousední jablka si vzájemně pomáhají zrát rychleji.
Když se různé moduly spojí dohromady, produkují sofistikovanější výsledky. Existují kupříkladu mechanismy, jež vytvářejí spínače schopné reverzibilně přepínat mezi stavy „vypnuto“ a „zapnuto“ nebo oscilátory, které oba stavy střídají rytmicky a neustále. Biologové nalezli oscilátory, jež fungují na úrovni genové aktivity a na úrovni bílkovin – slouží k mnoha rozmanitým účelům, například k rozlišování mezi dnem a nocí. V listech rostlin se nacházejí buňky, které používají oscilační síť genů a bílkovin k měření plynoucího času, a tím rostlině umožňují předvídat začátek nového dne a zapnout geny potřebné pro fotosyntézu těsně před východem slunce. Jiné oscilátory se v důsledku komunikace mezi buňkami zapínají a vypínají v pravidelných impulzech. Jedním z příkladů je srdce, které vám právě bije v hrudi. Dalším pak oscilační obvod neuronů, jenž nám „tiká“ v míše a aktivuje specifický vzor opakované svalové kontrakce a relaxace, která nám umožňuje kráčet rovnoměrným tempem. To vše se děje, aniž bychom na to museli myslet.
tento text je úryvkem z knihy
Paul Nurse: Biologie v pěti lekcích
Co je život?
Dokořán 2021
O knize na stránkách vydavatele
