Richard Pomerantz, biochemik, vedoucí výzkumného kolektivu na Thomas Jefferson University a spoluautor studie: „Tato práce otevírá dveře mnoha dalším studiím, které nám pomohou pochopit význam polymeráz, které umí psát zprávy RNA do DNA. Polymeráza theta to dokáže s vysokou účinností, což vyvolává mnoho otázek. Toto zjištění například naznačuje, že zprávy RNA lze použít jako šablony pro opravu nebo přepis genomické DNA.“ (Kredit: Thomas Jefferson University).

Polymerázu théta vědci nijak zvlášť nestudovali. Vědělo se o ní, že umí opravovat poškozenou kyselinu deoxyribonukleovou (DNA) podle předlohy nepoškozené DNA. A také se vědělo, že přitom napáchá děsivé množství chyb. Polymeráza théta byla prostě takový „genetický nešika“. Nová studie týmu vedeného Richardem Pomerantzem z Thomas Jefferson University ve Philadelphii ale odhalila skrytý talent tohoto enzymu. Zvládá přímo skvěle tzv. reverzní transkripci, tedy přepis kyseliny ribonukleové (RNA) na DNA. V tom se vyrovná i reverzní transkriptáze, kterou si zajišťuje svůj životní cyklus virus HIV.

Polymeráza théta patří do skupiny enzymů, které mají v lidských buňkách na starosti syntézu RNA a DNA. Některé vytvářejí podle předlohy DNA nové molekuly DNA a připravují tak buňky na dělení. Jiné přepisují instrukci zapsanou do dvojité šroubovice DNA do jednoduchého řetězce RNA, podle kterého si pak buňka vytváří bílkovinné molekuly. V lidských buňkách tvoří polymerázy poměrně pestrou „zoo“. Jen těch, které využívají k syntéze DNA jako předlohu jinou DNA, vědci napočítali čtrnáct. K syntéze kopií celého genomu potřebných k dělení buněk si lidské buňky vystačí s pouhým triem enzymů. Zbývající DNA-polymerázy jsou našimi buňkami používány k opravě poškozené DNA nebo k odstraňování „překlepů“, když si buňka při syntéze nové DNA „poplete písmenka“. DNA-polymeráza théta byla v téhle společnosti jakousi popelkou.

Chromozomy jsou dlouhé řetězce DNA, které obsahují mnoho genů. Lidský chromozom může mít až 500 milionů párů bází DNA s tisíci genů. (Kredit: Thomas Shafee. CCA 4.0).

Když Pomerantz a jeho spolupracovníci studovali polymerázu théta, všimli si, že její nešikovnost padá na vrub zvláštnímu prostorovému uspořádání molekuly tohoto enzymu. Odchylka od běžného tvaru molekul DNA-polymeráz jim připadala povědomá. Záhy se ukázalo, že podobně „nešikovně“ je v příslušném místě molekuly tvarovaná i reverzní transkriptáza viru HIV. Ta syntetizuje DNA podle virové dědičné informace, jež je tvořená molekulami RNA. Vzniká tak tzv. provirová DNA, která se následně zabuduje do dědičné informace buňky. Podle tohoto „podstrčeného výrobního výkresu“ produkuje nové částice viru HIV.

Reverzní transkripce je známá už dlouho. Ve svém arzenálu ji má početná armáda virů. Kromě HIV třeba i viry žloutenky. Do procesu reverzní transkripce klíčového pro množení viru umí „hodit vidle“ léky vyvinuté týmem Antonína Holého.

Jan Svoboda. Zabýval se výzkumem tzv. retrovirů (některé způsobují nádory nebo jiná závažná onemocnění, jako např. AIDS) a jejich vztahy s hostitelskými buňkami. (Kredit: Martin Kovář CC BY-SA 3.0)

Za všechny produkty vzešlé z laboratoře tohoto týmu jmenujme třeba tenofovir. Samotný objev reverzní transkripce a virového enzymu, který ji má na svědomí, nese rovněž jasně čitelnou českou stopu. Významně k němu přispěl český virolog Jan Svoboda. Za objev reverzní transkriptázy z roku 1970 dostali o pět let později Nobelovu cenu Američané David Baltimore a Howard Temin. Oba dva Svobodův přínos k pokroku na tomto poli vysoce oceňovali.

Slibná reverzní transkriptáza

Richard Pomerantz a jeho spolupracovníci nejprve potvrdili, že lidská polymeráza théta pracuje velmi liknavě, pokud má fungovat jako DNA polymeráza a za předlohu dostane DNA.

DNA polymeráza theta (Polθ)je enzym, který u lidí je kódován POLQ genem umístěným na třetím chromozomu. (Kredit: Wikipedia, volná doména).

Zároveň ale prokázali překvapivý fakt, že když tento enzym dostane jako předlohu RNA, pak ji převádí na DNA přinejmenším stejně zdatně jako reverzní transkriptáza viru HIV. A ta se umí při téhle práci pořádně činit. V pozadí proměny polymerázy théta z nešiky na mistra stojí naprosto unikátní schopnost tohoto enzymu měnit tvar klíčové části své molekuly v závislosti na tom, zda dostává předlohu ve formě DNA nebo RNA. Pomerantz a spol. o tom referují ve vědeckém časopise Science Advances.

Přesná lokalizace POLQ genu. Start: 121 431 431 bp (bp je zkratka používaná pro „páry bází“). Konec genu: 121 545 988 bp.(Kredit: Wikipedia, volná doména).

„Z našeho výzkumu vyplývá, že hlavní role polymerázy théta spočívá v tom, že působí jako reverzní transkriptáza,“ vysvětluje Richard Pomerantz v rozhovoru pro web časopisu Science. „Ve zdravých buňkách se může tato molekula podílet na opravách poškozené DNA a to s využitím molekul RNA. U nemocných buněk, jako jsou rakovinné buňky, je polymeráza théta velmi hojná a podílí se na růstu nádorů a vzniku jejich rezistence k léčbě.“

O významu DNA polymerázy theta svědčí, že se bez ní neobejdou ani myši. Ty mají gen pro její tvorbu na 16. chromozomu. (Kredit: Volná doména).

V buňce se nachází jedna sada genů zděděná po otci a druhá sada genů zděděná po matce. Pokud je v buňce poškozen jen jeden z dvojice genů, na dramatické zvýšení rizika nádorového onemocnění to v nejednom případě stačí. To je třeba případ genů BRCA1 a BRCA2, jejichž poškození dramaticky zvyšuje riziko rozvoje karcinomu prsu nebo ovarií. V buňkách se ale v tomto případě nacházejí i molekuly RNA, které byly vyrobené podle nepoškozeného genu. Ty by pak mohly posloužit polymeráze théta jako „předloha“ k opravě defektního místa dědičné informace. To je ta přívětivější tvář polymerázy théta. Má to však i svůj rub. Řada léků poškozuje dědičnou informaci nádorových buněk tak závažným způsobem, že by buňky měly uhynout. Pokud ale v buňce běží naplno reparační procesy, mohou se nádorové buňky přispěním polymerázy théta s dopadem léčby vypořádat a vyvinout si k ní rezistenci.

Objev velmi výkonné lidské reverzní transkriptázy bude zcela jistě zajímat i genové inženýry. Některé metody pro cílené zásahy do dědičné informace, například tzv. prime editing, využívají reverzní transkriptázy vypůjčené z virů. Možnost nasadit reverzní transkriptázy, jež jsou savcům včetně člověka vlastní, asi nadlouho nezůstane stranou zájmu vědců.

Literatura

Gurushankar Chandramouly, et al.: “Pol theta reverse transcribes RNA and promotes RNA-templated DNA repair,” Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.abf1771, 2021.