Modely dvojité šroubovice molekuly kyseliny deoxyribonukleové (DNA) připomínají obvykle do spirály zkroucený žebřík. „Postranice“ z cukru a fosfátu spojují „příčky“ dusíkatých bazí, jež jsou „písmeny“ genetického kódu. Dvojitá šroubovice je neuvěřitelně elegantní – a přitom velmi nepřesná. Nejnovější výzkumy dokazují, že DNA plní roli základní molekuly dědičnosti jen za cenu toho, že se neustále čile „mrská“. Vyvstává tak před námi obraz DNA jako vynikajícího akrobata, který by bez vývrtek a veletočů nic nedokázal.

Jádro je rušné místo
V roce 1953 objevili James Watson a Francis Crick dvojšroubovicovou strukturu DNA a genetici vyplnili následující půlstoletí usilovnou snahou „přečíst“ z dědičné informace pozemských tvorů co nejvíce. Za „den G“ označili novináři 26. červen 2000, protože právě tento den byla nahrubo přečtena dědičná informace člověka. Předcházelo tomu „přečtení“ dědičné infromace řady nižších organismů, například virů, bakterií, ale i rýže, drobné brukvovité rostlinky huseníčku, mušky octomilky nebo hlísta Caenorhabditis elegans. Následoval zástup dalších „přečtených tvorů“ včetně myši nebo ryby čtverzubce fugu. Do pomyslné fronty před výkonné sekvenátory (automaty pro čtení dědičné informace) se stavějí další pozemské organismy, například pes, skot, kur domácí nebo šimpanz.


Francis Crick (vlevo) a James Watson s modelem dvojité šroubovice DNA (1953)

Tyto obrovské úspěchy nám tak trochu zatemnily zrak. Pod jejich vlivem jsme ochotni redukovat náš pohled na DNA jako na řadu písmen genetického kódu. O tom, jak neúplný a zkreslený by to byl pohled svědčí výsledky výzkumu vědců, kteří sledují chování DNA přímo v její „domovině“ - tedy v jádru buňky. Bedlivé trojrozměrné sledování dokazuje, že DNA je svému klasickému tvaru spirálovitě zkrouceného žebříku velmi často „nevěrná“.
Samotné jádro buňky bývalo považováno za statický svět, kde nedochází k žádným převratným událostem. „Dneska je nám už jasné, že je to velmi rušné místo,“ říká americký biolog Alexander Rich z Massachusetts Institute of Technology. DNA je v jádru vázána s bílkovinami a tvoří útvary zvané chromozomy. Ani ty nejsou „oázou klidu“. Naopak. DNA v nich navazuje s některými bílkovinami skutečně jen „letmé známosti“, mrská sebou jako klubko hadů a navíc každou chvíli vyšle do prostoru smyčku svých vláken připomínající chapadlo chobotnice.


Jádro buňky bylo dlouho považováno za statický svět. O to větší překvapení prožívají biologové, když pronikají do tajů dynamických procesů, jež v buněčném jádru každou sekundu pobíhají

Řada genetiků je přesvědčena, že tento rej DNA je v konečném důsledku stejně důležitý jako pořadí „písmen“ genetického kódu ve dvojité šroubovici a rozhoduje o tom, který gen bude „probuzen“ a podle jeho instrukcí se bude vyrábět bílkovinná molekula, a který bude naopak v buňce „uspán“. Pomalu se daří dávat dohromady i důkazy, že narušení „tance“ molekuly DNA může být příčinou řady chorobných stavů postihujících vážně celý organismus. Půl století jsme trpěli iluzí, že dvojitou šroubovici dokonale známe. Teď se ale ukazuje, že stojíme na samém počátku poznávání tajů „života“ této podivuhodné molekuly.

Z-DNA – místo „zmetku“ hlavním hrdinou
O tom, že DNA dokáže zaujímat velmi zvláštní tvary, vědí vědci už dávno. Vlastně už experimenty z počátku padesátých let, jež byly završeny objevem Watsona a Cricka, odhalily dvě formy prostorového uspořádání molekuly DNA. Slavnou se stala forma B, která odpovídá dvojité šroubovici. Forma A měla poněkud jiný tvar, ale to nebylo důležité, protože se záhy ukázalo, že vzniká jen v laboratorních podmínkách mimo buňku a nemá proto bezprostřední význam pro fungování dědičné informace v živých pozemských organismech. V roce 1979 publikoval tým vedený Alexanderem Richem objev molekuly DNA zaujímající další strukturní variantu označovanou jako „Z-DNA“ a většina odborníků ji hodila do jednoho pytle s A formou. Měla to být DNA, jakou živá buňka nikdy nepozná a která se vytváří jen za abnormálních laboratorních podmínek.
Teprve v roce 2001 se ukázalo, že se Z-DNA v živých buňkách nejen vyskytuje, ale sehrává tu důležitou úlohu při buzení spících genů. Pro aktivaci genů zajišťujících funkci imunitního systému je nezbytné, aby relativně krátký úsek DNA zaujal uspořádání typu Z Bez toho se gen nikdy neprobudí. Biologové jsou přesvědčeni, že to není nijak výjimečná událost a odhadují počet míst, kde se může lidská DNA „překroutit“ do Z-formy na 100 000. Předpokládají, že v Z-formě jsou jednotlivá vlákna dvojité šroubovice podstatně dostupnější pro nejrůznější bílkoviny, mezi jinými i bílkoviny, jež rozhodují o tom, zda se podle daného genu začne vyrábět v buňce příslušná bílkovina (tzv. transkripční faktory).

Kdepak jen jedna – dvojitých šroubovic existuje hned několik typů. Forma A je výsledkem působení laboratorních podmínek. Za zakldní biologicky aktivní formu byla dlouho považována jen B forma. Forma Z objevená před 30 lety měla být následníkem formy A. nyní se ale ukazuje, jak důležité funkce v buňce plní.

O významu úseků DNA schopných „překroucení“ do Z-formy svědčí skutečnost, že některé viry škodí buňce kromě jiného i tím, že se vážou na úseky její dědičné informace s prostorovou konfigurací Z. Zabrání tak buňce v účinné obraně. Pokud se podaří zamezit vazbě viru na tato „citlivá místa“ DNA, napáchá mikroskopický zabiják o poznání méně škod. Samozřejmě, že si vědci týrají mozky nad otázkou, jak tento jev využít pro ochranu člověka před nebezpečnými virovými chorobami.
Jakkoli je Z-forma DNA „exotická“ přeci jen si zachovává základní strukturu, v níž jsou k sobě navzájem připoutána dvě spirálovité stočená vlákna. DNA ale dokáže zaujímat i tvary, jež nemají s dvojitou šroubovicí mnoho společného. Například britský biolog Stephen Neidle z londýnského Institute of Cancer Research zjistil, že na koncích chromozomů v úsecích zvaných telomery se může DNA rozplést z dvojité šroubovice a vytvořit spolu s bílkovinami útvar ne nepodobný lodnímu šroubu. „Klasické dvojité šroubovici se to vůbec nepodobá,“ říká Stephen Neidle.


Kdepak je pověstná dvojitá šroubovice? DNA zaujímá i velmi exotické uspořádání jako tento „lodní šroub“.

K takovým kouskům jsou v DNA zvláště náchylné úseky bohaté na dusíkatou bázi guanin, jež představuje jedno ze čtyř „písmen“ genetického kódu. Pokud část DNA zaujme takto nezvyklou prostorovou konfiguraci, nemůže v jejím těsném sousedství dojít k aktivaci genu. Americký genetik Laurence Hurley zjistil, že se tak v buňkách „vypíná“ gen c-MYC schopný nastartovat v buňce rakovinné bujení. Pokud se DNA v blízkosti tohoto genu nezabrání v „zašmodrchání“ do exotických kliček, pak se gen probudí a zdravé buňky se mění na rakovinné. Hurley nyní usilovně pátrá po látkách, které by vytváření exotických kliček v DNA v blízkosti genu c-MYC nedovolovaly a chránily by tak člověka před nádorovými onemocněními.


Interakce proteinů s úsekem Z-DNA



Bílkovinný rej kolem DNA
I klasická dvojitá šroubovice DNA se v buňce chová jako velký neposeda. Už dlouho biologové vědí, že se DNA v chromozomech váže na různé bílkoviny. Tento svazek byl vždy považován za velmi statický a stabilní. Jakákoli změna měla probíhat velmi pomalu. To však byly jen teoretické předpoklady, které nebyly potvrzeny přímým pozorováním. Ostatně pohled na molekuly bílkovin vážící se k DNA nám nebyl dlouho dopřán. Teprve v poslední době umožnil technický pokrok vědcům nahlédnout do nitra živé buňky a pozorovat tam „molekulární reje“ kolem DNA. Americký biolog Tom Misteli z National Cancer Institute v Bethesdě přiznává, že tento pohled „úplně změnil jeho náhled na buněčné jádro“:
„Slovo ´statický´ rázem zmizelo z mého slovníku,“ říká Misteli.
Vědci nejprve vybaví buňku variantami bílkovin, které se za normálních okolností vážou na DNA a kterým byla zvláštní úpravou dodána schopnost fluoreskovat. Jádro buňky se díky tomu rozzáří spektrem světel. Pak je buňka vystavena přesně mířenému zásahu laserem, který fluoreskující bílkovinnou molekulu v přesně zvoleném místě buněčného jádra „vymaže“. Misteli napjatě čekal, co se stane pak. A nestačil se divit. Z celého jádra chvátají na místo zasažené laserem bílkovinné molekuly, aby zející ránu co nejrychleji zacelily. O nějaké pomalé nebo postupně změně nemůže být ani řeči. Všechno se odehrává v pěkném kalupu.
Biologové se na základě výsledků těchto a podobných pokusů domnívají, že všechny bílkoviny schopné vazby na DNA se střídavě na DNA vážou a vzápětí ji zase „opouštějí“. Pohybují se přitom rychlostí, která jim dovoluje překonat pro ně astronomickou vzdálenost napříč buněčným jádrem zhruba během pěti sekund. To platí i pro jednoho z údajných největších peciválů buněčného jádra – bílkovinu označovanou jako histon H1. Ten měl podle stávajících představ sedět na dvojité šroubovici DNA jako pecka. Místo toho se každá molekula histonu H1 minutu co minutu od DNA odpojí a pak se s ní zase spojí.
Laikovi může podobné vření připadat jako naprostý chaos, ale Misteli je přesvědčen, že pro buňku je podobná obměna bílkovin upoutaných k DNA velice výhodná. DNA je tak neustále konfrontována s celým spektrem bílkovin přítomných v jádru buňky. Může velmi rychle zareagovat na změnu ve spektru bílkovin v okolí – na objevení nové bílkoviny nebo naopak na její zmizení. Geny tak tímto způsobem neustále zkoumají své okolí a jsou prakticky kdykoli připraveny reagovat na změnu.

Kdo zlobí, musí do kouta
Bylo by chybou představovat si molekuly DNA v jádru buňky jako jakési „nudle“ povlávající v buněčné „polévce“. Nesmíme zapomínat, že lidskou DNA tvoří 3,2 miliardy „písmen“ genetického kódu a že celková délka řetězců molekul DNA v jádru jedné jediné buňky dosahuje dvou metrů. Jádro samo měří v průměru asi jednu miliontinu této vzdálenosti. Hned je tedy jasné, že DNA musí být v buňce velmi pečlivě sbalena – jinak by se do ní ani nevešla. DNA je navinuta na molekuly bílkovin a vytváří tak komplex obvykle označovaný jako chromatin. Také chromatin se dále skládá a vytváří konečnou strukturu chromozomu.
Ani chromozomy se v jádru buňky se jen tak „nepotulují“. Zdá se, že velmi dobře vědí, kde je jejich místo a některé se ze všech sil drží míst jádra, které jim dává výsadní postavení. Například lidský chromozom 18, který nese poměrně málo aktivních genů, bývá většinou odstrčen na periferii buněčného jádra, zatímco geny „nabouchaný“ chromozom 19 obvykle přebývá poblíž středu buněčného jádra. Tento jev není výsadou jen lidských buněk ale lze jej pozorovat i u ostatních primátů. Jde tedy o zásadu, jež má obecnější platnost.
Fakt, že si naše chromozomy udržely v buněčném jádru stejnou „adresu stálého bydliště“ po dobu plných 30 milionů roků (taková doba nás dělí od chvíle, kdy žil společný předek člověka a ostatních primátů), svědčí o tom, že místo pobytu chromozomů má klíčový význam pro jejich správnou funkci. O tom, co chromozomy do jejich „oblíbeného místa“ přitahuje a čím je pro ně významné, se však můžeme zatím jen dohadovat.


Tato struktura DNA (červeně) může bránit aktivaci genů podílejících se na vzniku rakovinného bujení.

Někteří genetici se domnívají, že na okraji buněčného jádra je chromozom i se svými geny uklizen stranou od molekul, jež jsou schopny geny uvádět do chodu. Může to být proto pojistka proti nežádoucímu zapínání genů. Mohli bychom si představit, že buňka posílá „zlobivé geny“ za trest „do kouta“ u jaderné membrány buněčného jádra. Jiní genetici ale naopak předpokládají, že na periferii jádra odkládá buňka chromozomy s těmi nejcennějšími geny, aby je uchránila před poškozením ze strany látek schopných vyvolat v dědičné informaci mutace (tedy narušit a změnit pořadí písmen v DNA). Samozřejmě nelze vyloučit možnost, že pravdu mají oba tábory a periferie jádra slouží k oběma účelům.
O umístění chromozomů v buňce jsme se dozvídali především z mikroskopických preparátů. Na nich jsou buňky usmrceny a navíc i konzervovány a barveny. Pozorovat na nich pohyb chromozomů je stejně obtížné jako studovat tlukot srdce na vybělené kostře. Marná námaha. Teprve v posledních letech se nabízí vědcům pohled na chromozomy, který připomíná akční film. „Režisérem“ těchto biologických filmových trháků je Andrew Belmont z University of Illinois v americké Urbana-Champaign. Belmont donutil buňky přijmout do své dědičné informace velké množství kopií DNA pocházející z bakterií. Tuto DNA lze označit fluoreskujícími bakteriálními bílkovinami. Každý kus DNA si v takové buňce nese jakousi „lucerničku“ a ta prozradí jeho okamžitou pozici citlivému oku speciální kamery. Ať už se Belmont díval do nitra kvasinky nebo savčí buňky, pokaždé se mu nabídl podobný pohled – chromozomy se na svých místech neposedně „vrtěly“.


Časová sekvence po pěti sekundách zachycuje pohyb chromozomu uvnitř jádra kvasinky a dokládá čilý ruch v jádru buněk.

Podle některých biologů je právě toto „vrtění“ chromozomů důležité pro odpojování a opětovné připojování bílkovinných molekul na DNA. Dědičná informace v chromozomech ze sebe bílkoviny „setřásá“ a zároveň je na sebe zase „nabaluje“. Tím ale „hadí tanec“ molekuly DNA nekončí. Belmont vnesl do dědičné informace savčích buněk dlouhé úseky DNA s geny bakterií, které dokázal uvádět do chodu (donutil je, aby začaly vyrábět bakteriální bílkoviny). Zároveň mohl tyto úseky DNA označit fluoreskujícími bílkovinami. Nejprve vypadaly tyto úseky DNA v jádru buňky jako malé „pecičky“. Jakmile se ale geny začaly „probouzet“, vzhled zmíněného úseku DNA prodělal velmi rychlou změnu. Z malé pecičky se proměnil na jemný dlouhý vlásek. Vysvětlení se nabízelo jediné – pečlivě smotaná DNA se při aktivaci genů rozvinula a vytvořila velkou smyčku. Tento nesmírně dynamický proces byl pozoruhodný ještě něčím jiným - „oko“ na DNA se vychlípilo směrem do středu buněčného jádra, tedy pryč od jeho okraje, kde se pro aktivní geny zřejmě nenabízejí ty nejlepší podmínky. Britská bioložka Amanda Fischerová z londýnské Imperial College naopak pozorovala přesun oblastí DNA s neaktivními geny do míst, kde je „genetický klid“.

Rej DNA – příčina či důsledek?
Jedinečné divadlo, jež představila dědičná informace buňky zvídavým biologům, má ale i jiné vysvětlení. Někteří biologové jsou přesvědčeni, že pohyb chromozomů není příčinou jejich různé aktivity, ale naopak jejím pasivním důsledkem. Tvrdí, že to, co pozorujeme, je výsledek akce husté sítě proteinů, které na DNA při její aktivaci nejrůznějším způsobem působí a přitom ji „tahají sem a tam“.
Ale pomalu se objevují důkazy o tom, že pohyb a rozmístění chromozomů má na aktivitu genů skutečně významný vliv. Americký biolog John Sedat z University of California studoval chování neaktivního genu pro zbarvení oka u octomilky Drosophily a zjistil, že se tento neaktivní gen uchyluje směrem k periferii buněčného jádra. Pokud se k němu náhodou připojil i aktivní gen, pak v novém bydlišti nadobro „usnul“. Samotné přemístění genu stačilo k tomu, aby přešel z aktivního stavu do klidového.
Od těchto zjištění je již jen kousek k úvahám o tom, nakolik může chybné umístění genů v jádru buňky vyvolat poruchu a v konečném důsledku i chorobu. Zdá se, že přinejmenším v některých případech jsou vědci něčemu podobnému na stopě. Tom Misteli pozoroval umístění chromozomů v bílých krvinkách myší propadlých nádorovému bujení lymfatických uzlin a zjistil, že se v nich tři chromozomy (konkrétně chromozomy 12, 14 a 15) nacházejí nezvykle blízko sebe. Misteli tyto chromozomy podezírá, že v tak těsném sousedství si navzájem vyměňují své části a výsledný zmatek pak může krvinku „pobláznit“ natolik, že propadne rakovinnému bujení.
Tohoto zjištění bychom snad mohli budoucnu využít k včasné diagnóze sklonů k rakovině. Z odchylek v rozmístění chromozomů v jádru buňky bychom mohli odhadnout, nakolik je buňka náchylná k nekontrolovanému množení. Tým Roberta Singera z Albert Einstein College of Medicine v New Yorku si pro ověření této možnosti připravil celkem 11 různě barevných fluoreskujících „lucerniček“ schopných vazby na bílkovinu syntetizovanou podle vybraného genu. Podle toho, jak moc „věšáčků“ v podobě vyrobené bílkoviny „lucernička“ najde a jak moc se jí barva v buňce rozzáří, můžeme usoudit, jak se jednotlivé geny v buňce tuží (jak jsou aktivní) a kde svou práci vykonávají.
Objev dvojité šroubovice DNA Jamesem Watsonem a Francisem Crickem byl bezesporu přelomovým okamžikem v poznávání tajů života buněk. Ale jak už to bývá, s odstupem času se jejich objev ukazuje jen jako část podstatně složitějšího obrazu. Donedávna jsme byli skálopevně přesvědčeni, že o tom, co se děje v dědičné informaci, rozhoduje pořadí písmen genetického kódu. Nejnovější výzkumy dokazují, že taje života jsou mnohem a mnohem komplikovanější.