Zvětšit obrázek

Roger Kronberg (nar. 1947)

Transkripce – klíč k životu
Současný svět je uchvácen úspěchy genomiky a vidí klíč ke všem důležitým životním pochodům v genech. Geny se ale mohou projevit jen v procesu transkripce, při kterém se podle instrukce uložené do dvojité šroubovice deoxyribonukleové kyseliny (DNA) syntetizuje v buněčném jádru komplementární jednoduchá šroubovice ribonukleové kyseliny (RNA). Jednovláknová RNA je transportována z jádra do cytoplasmy a na ribozomech podle ní proběhne syntéza příslušného bílkovinného řetězce. Celý proces je velmi složitě regulován. Transkripce je spouštěna jen v místech a v časech, kdy daná buňka aktuálně potřebuje daný protein. Roger Kornberg nám umožnil nahlédnout na tento proces v neuvěřitelných detailech a přispěl zásadně k pochopení jeho základních principů.

Zvětšit obrázek

Dva laureáti Nobely ceny – otec a syn Kronbergovi

Při transkripci sehrává klíčovou roli molekula enzymu RNA polymerázy. Drastickým důkazem jejího významu jsou otravy muchomůrkami, jejichž nejprudší jed amanitin je velmi silným inhibitorem tohoto enzymu. Kornberg s pomocí nejmodernějších biochemických metod a perfektně provedených krystalografických studií odhalil strukturu RNA polymerázy a tu navíc zachytil v komplexech s dalšími aktéry transkripce – s „předlohou“ v podobě templátové DNA, s výsledným produktem v podobě jednovláknové RNA, s regulačními proteiny i s nukleotidy, jež jsou stavebními kameny RNA.

Zásadní Kornbergovy práce vyšly ve vědeckém týdeníku Science v roce 2001 a jejich ocenění přichází s ještě s menším časovým odstupem než letošní Nobelova cena za fyziologii a medicínu pro Andrewea Firea a Craiga Melloa. Ti se dočkali Nobelovy ceny osm let po klíčovém objevu RNA interference.

Zvětšit obrázek

RNA polymeráza je největším proteinem s detailně objasněnou strukturou.

Z vědecké obce přesto nezazněly hlasy, které by označily Nobelovu cenu pro Kornberga za „uspěchanou“. Už v době publikování byly objevy tohoto Američana označovány za zcela mimořádné.

„Změnil výzkum transkripce a jejích mechanismů zcela zásadním způsobem“, prohlásil na jaře roku 2001 na Kornbergovu adresu biolog Peter Geiduschek z University of California v San Diegu.

Tajemství polymerázy
Kornberg zasvětil transkripci a RNA polymeráze dvacet let života vyplněného usilovnou prací. První „dekádu“ věnoval izolaci proteinů, které se transkripci podílejí. Odhalil obří rozměry molekuly RNA polymerázy eukaryotních organismů. Enzym se skládá z 12 proteinů a jeho komplex má molekulovou hmotnost kolem 500 tisíc. Značná velikost a nízké koncentrace RNA polymerázy v buňkách výzkum vážně komplikovaly. Nakonec však Kornberg se svým týmem pořídil krystalografický obraz enzymu s rozlišením 2,8 angstromu a s jeho pomocí demonstroval, jak RNA polymeráza funguje. Poukázal na důležitost páru „čelistí“, jež dovolují RNA polymeráze vazbu na přepisovaný úsek DNA. Z Kronbergových krystalografických snímků bylo patrné, že jednovláknová RNA vzniká v nitru komplexu. Jednotlivé nukleotidy potřebné pro tvorbu RNA vstupují na místo syntézy velkým pórem na spodní straně polymerázové molekuly.

Kornberg využil jako modelového organismu kvasinku Saccharomyces cerevisiae. Ta je sice ve srovnání s mnohobuněčnými organismy velmi primitivní, ale jako eukaryot má k člověku mnohem blíže než prokaryotní bakterie. Studie bakteriální RNA polymerázy bakterie Thermus aquaticus, jež se skládá jen z pěti různých proteinů, však prokázaly, že rozhodující části v nitru obou polymeráz jsou prakticky totožné. Tato konzervativnost enzymů skýtala záruku, že se ani lidská RNA polymeráza nebude od enzymu kvasinky lišit nějakým zásadním způsobem.
V následujících studiích ukázal Kronberg RNA polymerázu „v akci“ – tedy s DNA v „čelistech“ a v komplexu se vznikající molekulou RNA. Pořídil také krystalografické snímky interakce RNA polymerázy s regulačními proteiny, například obřím komplexem zvaným Mediator, který se sám skládá z dvacítky proteinů. Díky tomu se dařilo objasňovat mnohé  velké záhady.

Když RNA polymeráza přepisuje gen, musí „jet“ po přepisovaném vláknu DNA. Často tak urazí velké vzdálenosti. Některé geny mají až miliony „písmen“ genetického kódu. RNA polymeráza nesmí z DNA ani jednou „spadnout“. Na konci genu ale musí bezpečně „seskočit“. Její akce tak trochu připomíná jízdu na lyžařském vleku, kde je stejně nebezpečné pustit se za jízdy do svahu jako nepustit se na vrcholku stoupání. Kronberg objevil v RNA polymeráze zvláštní úsek sloužící jako „svorka“. Ta se pevně „zamkne“ kolem DNA ve chvíli, kdy se v jiném místě enzymu spustí syntéza RNA. Tím je kontakt RNA polymerázy a DNA zajištěn. „Svorka“ se opět otevře, až když syntéza RNA skončí.

Od teorie k praxi
Kronbergův příspěvek k poznání transkripce vyhlíží ryze teoreticky. Má však i velmi praktická uplatnění. Dovolí srovnat detailní strukturu RNA polymerázy člověka, hub a bakterií.

Zvětšit obrázek

RNA polymeráza a Mediator

Následně můžou vědci odhalit některé rozdíly v interakci RNA polymerázy s nespočetnou armádou regulačních faktorů transkripce. Tím by byly vytipovány cíle pro léky, jež by zasahovaly zcela zásadní životní proces patogenních organismů a přitom by neměly vážnější vedlejší účinky na zdraví člověka.

Některé procesy, jako je nádorové bujení nebo naopak degenerativní změny orgánů a tkání, jsou důsledkem narušené souhry regulačních mechanismů transkripce. Pro léčbu rakoviny by byly přínosem látky, které by dokázaly blokovat vazbu RNA polymerázy na transkripční faktory zodpovědné za nežádoucí stimulaci buněčného cyklu nádorových buněk. Pro regeneraci by se uplatnily naopak látky, které by zajistily obnovu narušené transkripce.
Specifický vzor transkripce určitého spektra genů je nezbytný pro vznik kmenových buněk,  ať už jsou to tzv. dospělé kmenové buňky zodpovědné za přirozenou regeneraci tkání a orgánů nebo tzv. embryonální kmenové buňky, do kterých je vkládána obrovská naděje v souvislosti s buněčnou a tkáňovou terapií. Pro využití embryonálních kmenových buněk má zásadní význam jejich diferenciace na přesně vybraný typ buněk. I v tomto procesu sehrává exaktní transkripce významnou roli.