Nejjednodušší mikroorganismy zřejmě vystačí s pouhými třemi stovkami genů. Člověk jich má asi 40 tisíc. Jak se geny v dědičné informaci pozemských organismů namnožily? Před třiceti lety představil prominentní genetik Susumu Ohno teorii, podle které docházelo při evoluci života na Zemi opakovaně ke zdvojení celé dědičné informace živočichů. Ohnova teorie neměla nikdy na růžích ustláno. Koncem osmdesátých let se zdála být mrtvá. Obrovský pokrok v genetice ji ale přivedl opět do popředí zájmu vědců.

Kacíř Ohno
Základem evolučních změn jsou náhodné změny v dědičné informaci, tzv. mutace. Proměnou stávajícího genu může organismus získat novou vlastnost. Pokud se díky tomu snáze prosadí a zplodí více potomstva, bude nositelů tohoto nového genu přibývat a nakonec v populaci zcela převládnou. Tato představa má několik slabin. Pozměněný gen už nemůže plnit svou původní funkci. Nebude organismu chybět? K vývoji některých znaků či vlastností je zapotřebí proměny hned několika genů a to dodává riziku neblahých důsledků ztráty původních genů dále na hrozivosti.
Ve třicátých letech přišli genetici s elegantním řešením tohoto problému. Předpokládali, že v dědičné informaci může docházet náhodně ke kopírování jednotlivých genů. Takový gen má za sebe v dědičné informaci „náhradníka“. Pokud se s jednou kopií genu něco stane – poškodí se nebo se promění na gen s jinou funkcí – druhá kopie bude i nadále hrát svou původní roli a organismu nebude nic chybět.
V roce 1970 ale vychází kniha Susuma Ohna „Evoluce duplikací genů“. V ní přichází genetik japonského původu působící v USA s kacířskou myšlenkou zdvojení celé dědičné informace. Při ní by dostal organismus k dispozici jako surovinu pro geny s novou funkcí tisíce kopií původních genů, za které by v dědičné informaci byli připraveni „náhradníci“. Živočichům by se tak otevřela cesta ke skutečně zásadním proměnám stavby těla a jeho klíčových funkcí.
Ohno předpokládal, že ke zdvojení dědičné informace živočichů došlo hned dvakrát. První duplikace vytvořila předpoklad pro proměnu bezobratlých živočichů v obratlovce. Druhá pak nastartovala rozrůznění obratlovců. V době svého vzniku ponechala Ohnova teorie chladným jen málokterého genetika. Jedny nadchla, druzí ji zatracovali. Recenzenti vesměs Ohnovu knihu nešetřili a podrobili jeho teorii tvrdé kritice.
„V knize „Evoluce duplikací genů“ je spousta nesrovnalostí, chybných výkladů i faktických chyb,“ napsala v recenzi pro prestižní vědecký časopis Science americká genetička Janice Spoffordová.
Ohno se ale nedal zviklat a trval na názoru, že k zásadním novým vlastnostem se mohly organismy dopracovat mnohem spíše zdvojením celé dědičné informace než jen zdvojením jednotlivých genů. Pokud by byl zmnožen jen jeden gen, začalo by podle této nadbytečné kopie tělko vyrábět další porce bílkoviny. Jedna bílkovina by se tak dostala do přebytku a rovnováha mezi jednotlivými bílkovinami by se narušila. Když se ale zdvojí celá dědičná informace, pak se sice celkové množství všech bílkovin zvýší, ale jejich vzájemný poměr zůstane zachován.


Dědičná informace člověka se skládá z 23 párů chromozomů. Podle některých genetiků vznikla opakovanou duplikací dědičné informace nižších živočichů.

Po stopách duplikace
Vzrušení kolem Ohnovy teorie postupně utichalo. Zastánci neměli v rukou solidní důkazy k Ohnově podpoře. Odpůrci zase nedokázali zasadit teorii o zdvojení celé dědičné informace smrtící ránu. Na sklonku dvacátého století se z laboratoří na celém světě začalo valit obrovské množství údajů o dědičné informaci nejrůznějších živočichů. Vědci přečetli kompletní dědičnou informaci hlísta Caenorhabditis elegans, octomilky Drosophila melanoagster, myši i člověka. Známe rovněž velké množství detailů z dědičné informace rybky zebřičky (Danio rerio) nebo kompletní genom ryby čtverzubce fugu. Moderní počítačové programy dokážou třídit a srovnávat dlouhé úseky dědičné informace uložené v rozsáhlých databázích. Bohužel, Susumu Ohno zemřel ve věku dvaasedmdesáti roků v roce 2000, tedy ve chvíli, kdy pro ověření jeho teorie nastaly konečně poněkud příhodnější podmínky.
Někoho tyto vyhlídky příliš nevzrušují. „Nemůžete dokázat, že ke zdvojení dědičné informace nedošlo,“ tvrdí Austin Hughes z University of South Carolina. „Pokud k tomu ale přeci jen došlo, pak to nemělo pro následný vývoj živočichů velký význam. Pro mě je to uzavřená kapitola.“
Jiní genetici ale vidí právě v ověření nebo vyvrácení Ohnovy teorie cestu k odpovědi na klíčové otázky evoluce.
„Chceme prostě vědět, kde se berou nové geny. Co dělá zvířata zvířaty a člověka člověkem,“ přiznává se irský evoluční biolog Kenneth Wolfe.


Čtverzubec fugu je jedním z nejjedovatějších tvorů naší planety. Jed tetrodotxin se vyskytuje v jeho kůži a vnitřnostech. Neprodukuje jej sama ryba ale symbiotická bakterie. Čtevrzubce lze z jeho jedovatosti „vyléčit“ podáním antibiotik. Pro genetiky je čtverzubec dokonalým modelovým organismem, protože má na obratlovce extrémně málo tzv. zbytečné DNA, tedy DNA, která netvoří geny. Právě proto byl genom čtverzubce předmětem velkého úsilí o „přečtení“. Vědci si od toho slibují kromě jiného i poznání funkce „zbytečné DNA“.




Takhle vypadá četverzubec fugu na talíři






Otrava tetrodotoxinem z porce špatně připraveného čtverzubce. Čtverzubec je řadou gurmánů považován za delikatesu. Pokud je ale maso při přípravě potřísněno obsahem vnitřností, dostane se na něj i tetrodotoxin. Smrt po požití tohoto jedu je skutečně krutá.

Současní genetici prověřují Ohnovu teorii zdvojení dědičné informace ze dvou různých pohledů. Někteří vezmou údaje o dědičné informaci jednoho živočišného druhu a pátrají v něm po totožných úsecích. Z jejich četnosti a rozsahu pak odhadují, zda jsou výsledkem zdvojení jednotlivých genů, zda vzešly ze zdvojení rozsáhlejších úseků dědičné informace nebo zda vznikly zdvojením celé dědičné informace. Jiní genetici si zvolí některý zajímavý gen a pátrají po jeho variantách v dědičné informaci různých živočichů. Pokud najdou u některých tvorů kopie genu ve vyšším počtu, snaží se ověřit, zda se jim nedostal do rukou důkaz zdvojení celého genomu.
V roce 1993 například švýcarský genetik Jürg Spring z university v Bazileji nalezl v dědičné informaci obratlovců čtyři kopie genu pro bílkovinu zvanou syndekan. Mušky octomilky mají jen jedinou kopii genu pro tento protein. To bylo zajímavé zjištění, ale jedna vlaštovka ani v tomto případě jaro nedělá. Spring prověřil padesátku dalších genů a zjistil, že i v jejich případě vlastní obratlovci čtyři kopie, zatímco octomilky se spokojí s jedinou. Podobná pozorování naznačují, že dvojí zdvojení dědičné informace předpokládané Ohnem není nepravděpodobné.
Další genetické analýzy dokazují, že jedno zdvojení dědičné informace mohlo nastat skutečně na evolučním „přestupu“ od bezobratlých k obratlovcům. Britští genetici Peter Holland a Rebecca Furlongová z university v Readingu zkoumají dědičnou informaci kopinatce (Amphioxus), který je sice bezobratlým živočichem, ale je považován za nejbližšího současného příbuzného tvorů, z kterých se první obratlovci před miliony lety vyvinuli. Oba Britové opět narazili na skutečnosti, které hrají do not Ohnově teorii. Tam, kde kopinatec vystačí s jedním výtiskem genu mají obratlovci dva, tři či čtyři kopie. Holland se domnívá, že kdysi dávno měli předci dnešních obratlovců čtyři varianty těchto genů. Časem ale sem tam nějaký ten gen poztráceli.




Kopinatec je už dlouho používán jako modelový organismus, ale nyní má výzkum jeho dědičné informace zodpovědět, nakolik jsou Ohnovy teorie o duplikaci geonomu správné.

„Narazili jsem na stopy po mnoha zdvojeních dědičné informace,“ tvrdí Holland, „a zdá se nám, že je tu dost důkazů o dvou po sobě jdoucích zdvojeních celé dědičné informace při vzniku obratlovců z bezobratlých živočichů.“
Irský genetik Kenneth Wolfe patřil dlouho k tvrdým kritikům Ohnovy teorie, ale nyní se stal jejím přesvědčeným obhájcem. Při studiu údajů o lidské dědičné informaci narazil Wolfe na shluky genů, které se v lidské dědičné informaci vyskytují hned dvakrát. Takových „hnízd“ nalezl Wolfe více než osmdesát.
„To je mnohem víc, než kolik by odpovídalo náhodnému zdvojení jednotlivých genů,“ tvrdí Wolfe.
Jedna taková zdvojená část umístěná na chromozomu 2 a 12 čítá 34 milionů „písmen“ genetického kódu. To jsou příliš velké porce dědičné informace, než abychom jejich vznik mohli připsat na vrub jen zdvojení jednotlivých genů. Podle všeho došlo ke zdvojení této části dědičné informace obratlovců před 330 až 500 miliony lety.

Třetí duplikace
Susumu Ohno v pozdějších letech přidal do své teorie ještě jedno „kolo“ zdvojení dědičné informace. K tomu mělo dojít u ryb poté, co se od jejich hlavní vývojové linie oddělily lalokoploutvé ryby, jejichž představitelem je dnes latimérie podivná. Od lalokoploutvých ryb vedly cestičky evoluce k suchozemským obratlovcům. Zbývající ryby odstartovaly duplikací dědičné informaci k neuvěřitelné druhové pestrosti.




Latimérii podivnou zřejmě poslední duplikace geonomu minula.

Genetické analýzy rybí dědičné informace, jež provedl tým Johna Postlethwaitha z University of Oregon v americkém Eugene, se zdají potvrzovat Ohnovu teorii i v tomto bodě. Ryby mají například ve srovnání se savci zmoženy některé velké skupiny genů. Například geny zahrnované pod označení HOX, které řídí vývoj těla, se v rybí dědičné informaci nacházejí hned v sedmi velkých „hnízdech“, zatímco u savců je najedeme jen ve třech skupinách.
Někteří genetici se ale pozastavují nad tím, jak se mohly první ryby se zdvojnásobeným obsahem dědičné informace vůbec rozmnožovat. Všechny ostatní ryby měly jen obvyklou dávku genů a jejich vzájemní kříženci by měli být podle našich současných zkušeností naprosto neplodní. Proto se opět dostává na denní světlo teorie o zdvojení jen některých genů, například genů skupiny HOX. Francouzští genetici vedení Marcem Robinsonem-Rechavim z Ecole Normale Supérieure de Lyon se pokusili odhadnout, kdy mohlo ke zdvojení vybraných úseků dědičné informace ryb dojít. Na základě zevrubných analýz došli k závěru, že ryby neobohatily svou dědičnou informaci o nové geny najednou. Mnohem spíše se zdá, že jednotlivé skupiny ryb tu a tam nabraly nějaký ten gen navíc a využily jej k získání nových vlastností. To s Ohnovou teorií zdvojení kompletní dědičné informace příliš nehraje.

Patová situace
Vědcům se nedaří Ohnovu teorii nezvratně potvrdit, ale nedokážou ji ani vyvrátit. Austin Hughes, který se svými výhradami na adresu Susumi Ohna nikdy netajil, srovnal údaje o 134 rodinách genů drobného hlísta Caenorhabditis elegans s údaji o obdobných skupinách genů člověka. Pokud by měl pravdu Ohno, měl by Hughes u člověka najít vždy dvě skupiny genů, jejichž původ by bylo možné vystopovat k jedné skupině genů hlísta. Navíc by měly všechny dvojice genových rodin člověka ze svých červích předchůdců povstat ve stejnou dobu. Jenže plné tři čtvrtiny lidských genů se svou historií vzájemně liší. Podle Hughese rozhodně nic nenasvědčuje tomu, že by vznikly jednorázově při příležitosti zdvojení celé dědičné informace.
Hughes se také podíval podrobně na to, jak spolu jednotlivé „pomnožené“ geny sousedí. Pokud by došlo ke zdvojení celé dědičné informace, měly by mít geny přibližně stejné pořadí jako v původní sadě genů, jež by prošla následnou duplikací. Ani to se nepotvrdilo. Geny, jež zřejmě vznikly zdvojením, jsou velice zpřeházené. To opět nasvědčuje spíše postupnému a vzájemně nezávislému zdvojení jednotlivých genů.
Podle Petera Hollanda ale Hughes teorii Susumu Ohna nevyvrátil. Hollandovy počítačové modelace genetických změn naznačují, že „nepořádek“ v genech mohl vzniknout v důsledku dvou po sobě rychle jdoucích zdvojení celé dědičné informace. Ty by ale musely proběhnout s podstatně menším odstupem, než předpokládal Ohno. Zakladatel teorie o významné úloze zdvojení dědičné informace ve vývoji obratlovců vycházel z představy, že po prvním kole zdvojení dědičné informace se stala z každého chromozomu (jakési základní porce dědičné informace) dvojice naprosto totožných chromozomů. Popravdě řečeno tak vznikla čtveřice stejných chromozomů, protože živočichové mají všechny chromozomy v párech, jelikož dědí vždy po jedné porci (chromozomu) od otce i matky. V první fázi po zdvojení dědičné informace se chromozomy sdružovaly do párů více méně náhodně. Později se ale začala dědičná informace spontánně pozměňovat a původně totožné chromozomy se od sebe začaly lišit. Některé z chromozomů v sobě „našly zalíbení“ jiné se naopak „přestaly snášet“. Čtveřice chromozomů se tak proměnila na dva různé páry. Tento proces trval podle Ohna miliony let a teprve potom mohlo dojít k druhému „kolu“ zdvojení dědičné informace. Holland je ale přesvědčen, že k druhému kolu duplikace dědičné informace mohlo dojít podstatně dřív, tedy ještě v době, kdy pomnožené chromozomy tvořily jednolitou čtveřici. Výsledkem byla osmička totožných chromozomů. Za normálních okolností si chromozomy v jednotlivých párech vzájemně občas vymění své části. Tento proces je označován jako rekombinace. V oktetu totožných chromozomů ale musela podle Hollanda vypuknout hotová „rekombinační burza“. Díky tomu se geny promíchaly jako balíček karet. Výsledkem je zdánlivý chaos pozorovaný Austinem Hughesem. Také další procesy mohly zastřít stopy po celkovém zdvojení dědičné informace. V dědičné informaci se nacházejí tzv. skákající geny. Ty se mohou pohybovat v dědičné informaci a dokonce s sebou přenášet přilehlé úseky DNA. Je zřejmé, že i ony dokážou pořadím genů povážlivě zahýbat. Někdy takový pohyblivý úsek DNA „skočí“ do místa dědičné informace, kde se nachází gen. Pak je takový gen „přetržen“ a ztrácí svou funkci. Z dědičné informace takový neúčinný gen velmi rychle mizí, mění se na úsek DNA, v kterém by bývalý gen nikdo nerozeznal.
Důsledky takových krajně nevypočitatelných změn mění pátrání po minulých podobách dědičné informace na velice složitý úkol. Podle skeptiků je to úloha za současného stavu vědění prakticky neřešitelná. Ale to se může s rychlým rozvojem genetiky velmi brzy zásadně změnit.