Není to tak dávno, co jsme si pod pojmem prion představovali příšeru, která číhá jen na to, aby se mohla začít šířit jako rakovina a bez sebemenší naděje na vyléčení nás pomalu a systematicky připravila o rozum a nakonec i život. Stanley Prusiner, který s tímto strašením přišel jako první, za to dostal Nobelovu cenu. Zbořil totiž dogma o infekčních částicích, které do té doby musely obsahovat genetický kód. Díky němu dnes víme, že to jde i bez genů, a že umřít na infekci můžeme i po obyčejném styku s nesprávně poskládaným proteinem. Kromě tohoto zcela nového pohledu na infekční agens nám Prusiner zadělal i na pěkný zmatek v definici života. Předtím byly nejjednoduššími a nejmenšími organismy viry a k jejich definici se používala slovní formulace o množení a přenášení vlastní informace na potomstvo pomocí genů. Jenže ponovu totéž zvládnou i částice, které žádné geny nemají....

Zvětšit obrázek

Priony dokážou být i prospěšné. Kmen vinných kvasinek si s jejich pomocí vytvořil zvláštní transkripční faktor, který kvasince dovolí číst zápis jejího genomu jinak, než je běžné. Občas se stane, že jí tento mechanismus umožní přežít i v prostředí, které je pro ostatní „soukmenovkyně“ smrtelně jedovaté. Na horním levém snímku jsou kvasinky kultivované v mediu s přídavkem toxického protiplísňového prostředku. Pokud vědci kvasinky o jejich priony připravili, přišly o schopnost na změněné prostředí se adaptovat (nahoře vpravo). V mediu bez toxických látek priony růst kvasinek nenarušovaly, ať už je měly, nebo ne, rostly stejně (snímky dole). Kredit: R. Halfmann, D.F. Jarosz, S.K. Jones, A. Chang, A.K. Lancaster, S. Lindquist, Nature

Padouch nebo hrdina, všechno jedna rodina

Pojem prion pochází z anglického Proteinaceous Infectious Particles - infekční částice tvořené pouze molekulou bílkoviny. Ta když se nevhodně tvarově zvrtne, způsobí nevyléčitelné neurodegenerativní onemocnění. Známe je jako původce šílenosti krav - BSE skotu, skrapie u ovce, nemoci označované CWD (chronic wasting dinase), neboli nemoc chronického vyčerpání, na níž hynou jeleni a další paroháči, jako třeba losi. Nemoc se nevyhýbá norkům, křečkům, myším,... Proto se ani s odstupem času nemůžeme divit počátečnímu všeobecnému zděšení, když se ukázalo, že mnohé z prionů dokážou přenést infekci mezidruhově a že jsou příčinou lidské Creutzfeldt-Jakobovy choroby. K našemu štěstí jim nedáváme k šíření moc příležitostí. Od kanibalského pojídání mozků zabitých nepřátel jsme upustili, skot je prakticky ozdraven, a tak zůstaly jen krevní transfúze, transplantace rohovek a dalších dílů, případně ledabylost nemocničních asistentek při sterilizaci nástrojů.
Priony ale nejsou výsadou živočichů, mají je i těla jednobuněčných organismů. Kvasinky například jich mají hned několik, ale na rozdíl od nás se zdá, že ty jejich jim škody nepáchaji. V laboratoři Susan Lindquistové ve Výzkumném ústavu pro biomedicínu v Cambridge dokonce hlásají, že jsou pro ně velmi důležité. I když kacířská myšlenka o příznivých vlastnostech prionů je stará devět let, teprve nyní se jí podařilo patřičně doložit i fakty. Zveřejnil je časopis Cell.

Zvětšit obrázek

Přibližně každá z 10 000 kvasinek spontánně změní svůj protein na prion. Udělá si tím svou buněčnou stěnu odolnější. Vesměs jí to je ku škodě a zhorší to její schopnost přijímat živiny. Za normální situace tento exces přirozený výběr eliminuje. V případě změněných životních podmínek, například při vysoké koncentraci alkoholu, může ale takové „brnění“ rozhodnout o přežití několika jedinců. Ti umožní, aby se i v drasticky změněných podmínkách většina genů původní kolonie kvasinek dále šířila.(Kredit: Whitehead Institute for Biomedical Research)

Priony spouštějí dědičné změny
U kvasinky Saccharomyces cerevisiae je delší dobu znám prion označovaný symbolem PSI+. Ví se o něm, že svým nositelům propůčuje evoluční výhodu. Spouští změny, které mohou vytvářet cestu pro adaptaci organismu na měnící se prostředí. Mechanismus funguje bez účasti genetického materiálu a navzdory tomu, že se procesu neúčastní žádné geny (ani úseky DNA, ani RNA), přesto je schopen zajistit přenos nových vlastností na potomstvo. Postupně se ukázalo, že kvasinky nemají jen jeden protein, který je schopen měnit svojí prostorovou konformaci, ale že takových prionů mají více. Nějakou dobu to vypadalo, že jich bude jen pět, ale poslední analýza genomu ukazuje, že proteinů schopných vytvářet variantně poskládané molekuly mají tyto primitivní organismy nejméně dvacet čtyři. Už jen ten počet dává tušit, že si je nehýčkají jen tak bezdůvodně. Ostatně i ty lidské „šmodrchajících se“ proteiny se utěšeně rozrůstají. Dnes dnes k nim řadíme i proteiny jménem Doppel a Shadoo.

Probouzení genů formou „proteinové infekce“
Lindquistové se ve spolupráci s kolegy z Whitehead institut (MIT) podařilo prokázat, že kvasinkové priony probouzejí spící úseky genů. Nejzajímavější na tom je, že nejde o jednorázovou záležitost, která by se vztahovala jen na tu buňku, u níž se prion (jinak poskládaný protein) vytvořil. Nová vlastnost získaná netradičním poskládáním molekuly se přenáší na její potomky podobně jako infekce. Z vnějšího pohledu se pak takový přenos jeví, jakoby se jednalo o mutaci nějakého genu. Nic takového ale genetik rozborem nezjistí. Důležitější než to, jak se to komu jeví, je co to provádí - organismu to dovolí v jeho vývoji „přehodit výhybku“. A to tak razantně, že se může začít vyvíjet zcela nečekaným směrem. I když Lindquistová tento evoluční mechanismus hlásá do světa již delší dobu, větší uznání jí to dlouho nepřinášelo. Asi proto, že její výzkum běžel v laboratoři, a jak oponenti rádi zdůrazňovali, na „zdegenerovaných“ kvasinkách. Navíc se jí dlouho nedařilo získat důkazy, že by se priony stejně chovaly i v "divokých" kmenech kvasinek. To se teď změnilo. V nové studii zveřejněné 15. února v Nature, se píše o prověření téměř 700 divokých kmenů kvasinek a zhruba ve třetině z nich vědci priony nalezli.

Proteiny – DNA – RNA - proteiny
Možná si někteří vzpomeneme, jak nás učili, že to nejdůležitější, co rozhoduje o životě, jsou proteiny. Později se to změnilo na představu, že za všechno může DNA a ještě dnes si mnozí myslí, že bez příkazu genů zapsaných v DNA se nám nezkřiví ani vlas na hlavě. Nedávno nám krátké úseky RNA daly pocítit naší nevědomost. I když máme geny, zdaleka to ještě neznamená, že si vždy prosadí své. Dostali jsme lekci, a teď už víme, že naše geny si klidně mohou „jet na plný plyn“ a posílat ze svého sídla v jádře buňky haldy příkazů v podobě poslíčka messengerové RNA. Do cytoplazmy k ribozomům je ale cesta daleká a i když příkaz obsahuje dokonalý bezchybný návod, jak se má nějaký potřebný protein sestavit, poslíčka cestou k ribozomální výrobní lince může postihnout celá řada „nehod“. Jednou z nich je interference s krátkými molekulami (iRNA). Nepatrné ribozomální „zrníčka“ se umí k posílané zprávě tak přitulit, že jí pro čtení zcela znehodnotí, a gen pak jakoby nebyl. V praxi tak o tom, zda vůbec a do jaké míry ten který gen bude v organismu vpuštěn do hry, rozhodují nepatrné kousky RNA, o nichž se ještě nedávno myslelo, že jsou jen jakýmsi smetím, kterého se buňka nedokáže zbavit a nebo že se jich buňka nezbavuje, protože nemají žádný smysl. Opak je pravdou a každou chvilku přicházíme na nové a nové účinky těchto krátkých řetězců RNA. Genetici v této souvislosti rádi mluví o nově objeveném „RNA světě“. Kdo se zabývá genetikou jim dá zapravdu, protože článků o různých RNA s přídomky (miRNA, piRNA, siRNA, snRNA, hnRNA, IncRNA,...) kvapem přibývá, a v odborných časopisech již je na toto téma více, než těch, které se věnují funkcím samotné DNA.

Další „nový svět“?

Susan Lindquistová začala razit představu možného evolučního mechanismu prionů zhruba před deseti lety. Až nyní se podařilo přichytit kvasinkové priony při činu, jak svým nositelkám pomáhají rychle změnit fenotyp a vyrovnat se s nepříznivými podmínkami prostředí. Na kvasinkách lze demonstrovat, že nové vlastnosti jde na potomstvo přenést i bez změn v nukleových kyselinách (DNA či RNA). To zcela mění naší tradiční představu o dědičnosti. Jde o mechanismus, který poskytuje organismu tolik potřebný čas na provedení trvalejších změn na úrovni genomu.

Ještě jsme se v novém světě krátkých molekul RNA nestačili ani pořádně zorientovat a již abychom brali v potaz další kacířskou myšlenku - že kromě „světa DNA“, „světa RNA“ tu je ještě „svět tvarově pozměněných proteinů“, které dokážou s organismem udělat totéž, co jsme si mysleli, že umí jen geny. Když si to zjednodušíme, tak za stabilní situace, kdy se životní podmínky moc nemění a panuje vcelku pohoda, bylo by nelogické, aby organismy se svým genomem dělaly nějaké nepřístojnosti a riskovaly, že něco co funguje, se podělá. Jakmile jim ale nastanou natolik vážné problémy, že začne být na pováženou, zda přežijí, je potřeba přestat lpět na tradicích a začít „zkoušet“. Nejde o nějakou cílenou činnost, ale o riskování a sázku na náhodu. Na chaosu náhodných adaptací se podílejí i priony. V jejich případě jde o to, že „normální“ molekuly se tu a tam zvrtnou a poskládají se jinak, než je obvyklé. Toto „zašmodrchání“ může mít vliv na dění v buňce. Prokázalo se to právě na kvasinkových prionech nazvaných PSI+. Začnou tvořit shluky, a ty naruší buňkám jejich schopnost číst svůj vlastní genetický zápis. Za normálních okolností jsou DNA pokyny zkopírovány do molekuly messenger RNA a podle nich se v ribozomech sestavují proteiny. Kvasinkový prion ale zabrání ribozomu zastavit čtení kódu, a syntéza proteinové molekuly proto běží o něco déle a k řetězci se navazují další molekuly. Vznikne jiná molekula než obvykle, a ta se buďto ukáže být nesmyslem a pak je její nositelka nemilosrdně selekcí zlikvidována, a nebo tento los štěstěny přivodí novou vlastnost, například ztluštělejší buněčnou stěnu, která je sice nevhodná k prostupu živin, ale v krizových situacích při vysokých koncentracích škodlivin v okolním prostředí je k nezaplacení. Tento epigenetický mechanismus umožní kvasinkovému kmenu přežít i v sudu s hodně sladkou šťávou a dá vznik zázraku jménem marsala, malaga, nebo portské. Kolonie kvasinek přežije i v nehostinném prostředí, které se změnilo tak rázně, že nedopřálo dost času k tomu, aby se na to kvasinka mohla adaptovat procesem mutací genů. Jediné co je schopné tak rychle zareagovat a zásadně změnit fungování genetického kódu, je konformace proteinu. Na pořadí nukleotidů v chromozomech (sekvenci jaderné DNA) se nic nezměnilo. Proto genetik bude u „změněné“ kvasinky pátrat v jejím genomu marně - na chromozomech žádnou změnu nezjistí. Jednoduše proto, že tam žádná není.

Tahat čerta za ocas často, se nepatří

Zvětšit obrázek

Susan Lindquistová Objasňuje, jak prion zachází s genem, kterého připodobnila k pracujícímu oslíkovi.

Dodržovat řád a zažité osvědčené stereotypy se většinou vyplácí, a tak kdyby priony dělaly ve fungování genetického systému revoluci často, k ničemu dobrému by to nevedlo. Proto jich je jen jako šafránu a za normálních okolností se objevují asi v jednom případě z milionu. Instituci prionů v populaci kvasinek můžeme chápat jako sázkovou kancelář s vysoce hazardní hrou, v níž se Černý Petr nepromíjí a trestá smrtí. Proto ve společnosti kvasinek není žádoucí, aby riskovali všichni. Pokud ale tu a tam některé buňce vyjde trefa do černého, čeká ji něco podobného, jako politika, kterému na jeho rozkrádačky nepřijdou - skvělá budoucnost, život v blahobytu se spoustou potomků. Jeden rozdíl tu od lidské společnosti přece jen je. U lidí se tak předávají pozměněné geny toho kterého jednotlivce. U kvasinek se tímto způsobem předávají nezměněné geny původní kvasinkové populace. Úspěšnost jim nezajistila vhodná kombinace genů, ale změna proteinu, která pořadí nukleotidů v genomu nijak nezměnila. Přeživší potomci jsou geneticky stejní, jako byli ti v původní populaci. Efektivnost tohoto mechanismu vyjde ještě více najevo, když si uvědomíme, že v případě neúspěchu prionového hazardu se kolonii kvasinek vlastně nic nestane, neboť přijde jen o pár „smolařů“. A tak se tu znovu potvrzuje, že evoluce na jedince nehledí a že platí Dawkinsovo: „Jediné o co jde, je šíření sobeckých genů.“

Z nové publikace Lindquistové vyplynul ještě jeden poznatek. Prionový systém zdaleka není rigidní. Jeho flexibilnost se projevuje například tím, že čím více se životní podmínky mění, tím častěji se u kvasinek začnou objevovat priony. Aby si svou teorii o chování prionových prvků vědci ověřili, dávali kvasinkám do živného roztoku látku, která přepíná jejich prionový stav (PSI+ a +MOT3). Zjistili, že 255 kmenů po tomto chemickém „šťouchu“ nabylo nových vlastností. Z nich se pak přibližně 40 % ukázalo být prospěšných pro růst. V asi deseti případech jim to bylo k užitku v přežívání ve zhoršených podmínkách, kdy se musely vypořádávat s přítomností antimykotického prostředku a vysoké koncentraci etanolu.
Výčet nových poznatků o prionech jakoby nebral konce. Nejenže jsou schopny navodit nové vlastnosti organismu, ale tím jak se nově nabyté poskládání proteinů předává po několik generací na potomstvo, poskytuje prionové záplatování kvasinkám čas, aby si prospěšnou vlastnost zafixovaly do svých genů i pomocí adekvátní mutace. To znamená, že vlastnost, kterou zpočátku suplují priony, se procesem náhodných mutací dodatečně upevní v řádném genetickém aparátu. Ribozomy pak začnou sestavovat výhodnější variantu proteinu i bez asistence prionů. Díky prionům tak ohrožené kvasinky nevymřou, ale dokonce přispívají ke vzniku nových kmenů adaptovaných na dané prostředí. Výzkumníci z MITu již zahajují spolupráci s kolegy z University of California v San Francisku na ověření další hypotézy. Ta předpokládá, že se priony účastní vzniku nových znaků a vlastností také u vyšších organismů. Bez ohledu na to, jak toto pátrání dopadne a zda se to bude týkat i nás, již nyní je jasné, že priony jsou dalším význačným hráčem evoluce. Její cestičky jsou natolik rozmanité, že každý další objev jen zvětšuje rozsah našich nevědomostí. Budoucí generace se rozhodně nemusejí obávat, že by neměly co zkoumat.

VIDEA: "Co mají společného "šílené krávy", lidé s neurodegenerativním onemocněním a kvasinky vesele si rostoucí na mediu se smrtelnou dávkou antibiotik? Všichni mají netradičně poskládané proteinové molekuly."

Prameny: MIT NEWS

Prion Switching in Response to Environmental Stress, PLoS Biology