Gen pro prionový protein nerozhoduje jen o citlivosti k zašmodrchání proteinu a ztrátách způsobených nemocí. U neinfikovaných zvířat má gen pro tento protein pod palcem také příznivé vlastnosti.

Je známo, že za celosvětovou pandemií prionové choroby zvané nemoc šílených krav (BSE) stály nemocné ovce. Šlo o zvířata, která byla nemocná prionovou chorobou nazývanou skrapie - česky klusavka. I když je klusavka na člověka nepřenosná, jejím pasážováním přes skot se pro nás stává nebezpečnou. Proto se také dnes na jatkách odstraňují mozky, páteře a další rizikové tkáně a likvidují se jako potenciálně infekční materiál.
Ponechme nyní stranou disputace na téma, zda za vznikem prionových chorob stojí prionový protein, nebo zda je primárním agens viru podobná částice. Novým poznatkům v tomto směru jsme se nedávno věnovali v článku “Vědci oprášili zavrženou teorii o vzniku BSE“.  
Pro účely našeho zamyšlení nad novým objevem ze skotského Edinburghu, to vůbec není podstatné. Obě teorie puvodu choroby (proteinová i virová),  jsou totiž v souladu s tím, že se jedná o vážné infekční onemocnění a jako takovým se jím budeme nyní zabývat. Podíváme se ale na věc z pohledu přežívání této infekce a neschopnosti se jí zbavit. Půjde tedy o vztah nemoci k oblastem v genomu, které činí jedince k tomuto onemocnění náchylným.
  

Proč neuspěla příroda, chovatelé, ba ani vědci?
V dalším povídání se neobejdeme bez pojmů alela. Alela je v hantýrce genetiků výraz pro různé formy genu. Některé z alel prionového genu rozhodují o větší náchylnosti jedince k tomuto onemocnění. Nyní se pustíme do objasňování toho, proč jsou alely, které dělají ovci náchylnější k chorobě ve stádech tak rozšířeny. Je na tom něco nelogického. Přirozená selekce už dávno měla ovce této nemoci zbavit. Proč k tomu nedošlo? Odpůrce evoluce jistě napadne, že je to důkaz toho, že evoluce nefunguje. Místo toho, aby přirozená samoselekce zaúřadovala, nedaří se jí to dokonce ani za přispění chovatelů, kteří klusavkou nemocná zvířata ze stád nemilosrdně likvidují a napomáhají tak ozdravovací selekci již stovky let. Výsledky snah přírody samotné i chovatelů jsou slušně a mírně řečeno, nuzné. Stejně bezvýznamné jsou i výsledky vědeckého přístupu k selekci, kterou se šlechtitelé ovcí snaží uplatňovat zhruba celé desetiletí.  
Nyní vyplouvá na povrch, že za vším tím neúspěšným tažením stojí fakt, že geny (alely) zodpovědné za náchylnost k prionovému onemocnění, mají ještě jiný účinek. Učeně se tomu říká, že mají pleiotropní efekt. V našem případě jde o jejich blahodárný vliv na “fitness”.

Fitness
Fitness je další výraz, který si musíme objasnit. Jde o reprodukční schopnost genotypu.  Protože se to patří, tak si uvedeme učenou definici tohoto pojmu. Na škodu to nebude, protože o fitness se bude mluvit často a hodně. Kvantitativní genetici, kteří hodnotu fitness počítají pomocí složitých vzorců, pro ní používají písmeno „W“.  Nyní ta definice: Fitness vyjadřuje podíl potomků produkovaných jedním genotypem v porovnání s genotypem jiným. Jde o reprodukční způsobilost genotypu, adaptivní hodnota (někdy pojmenována jako selektivní hodnota - selective value). Pravděpodobnost, že nějaký fenotyp přežije a zanechá potomky, je mírou jeho fitness.
Tolik suchá definice. Pro naše potřeby a srozumitelnost bude možná vhodnější si termín fitness přeložit jako „životaschopnost“ a nebo ještě lépe jako „plodnost“, přičemž za plodnost budeme považovat průměrný počet potomků na jednu samici. Tak se ostatně také posuzuje například plodnost žen a jejich srovnávání v rámci zemí, společenských vrstev, ras...

Pěkně popořádku

Zvětšit obrázek

Z pohledu ekonomiky chovů je jedním z nejdůležitějších faktorů vysoký počet odchovaných potomků na bahnici (ovčí matku). Šlechtění na vysokou plodnost se stává prioritou, která v konkurenčním soupeření rozhoduje o přežití farmy.

Abychom pochopili, co že to vlastně Skotové objevili, musíme vzít na vědomí něco málo dřívějších poznatků. A sice, že za náchylnost k prionové chorobě může oblast na třináctém ovčím chromozómu. Jde o místo (gen), který kóduje prionový protein. Tedy jde o gen pro protein, který když se zašmodrchá nedokáže se ho buňka zbavit, hyne a roztáčí kolotoč následných infekcí a změn se špatným koncem.
Zmíněný gen pro tento protein se vyznačuje tím, že může mít několik variant (učeně se tomu říká, že oblast je polymorfní). Polymorfismus (neboli varianty genu) se týkají změn v pořadí nukleotidů (v odborné literatuře se dočtete o změnách v kodonu 136, 154 a 171. Neznamená to nic jiného, než změny v nukleotidech v DNA na pořadovém místě 136, 154 a 171). 

Ještě jsme si neřekli, že pro tento gen pro prionový protein se používá zkratka “PrP”.  Tento PrP gen tedy rozhoduje o náchylnosti k chorobě skrapie. Jeho varianty významně ovlivňují přežívání infikovaných zvířat. Stáda v nichž je vysoké zastoupení těch forem genu snadno onemocní a na prionovou chorobu následně hynou.

Aby genetici normálním lidem ještě více zamotali hlavu a udělali odborný text ještě méně srozumitelným, zvolili si pro varianty tohoto genu pojem alely. Těmto alelám dali názvy “ARR” , “VRQ”,  “ARQ”,...  K tomuto “matení jazyků” došlo proto, že zmíněné alely poznali imunogenetici pomocí protilátek dříve, než molekulární genetici zjistili, která změna vpořadí nukleotidu (nahoře zmíněné změny 136, 154 a 171) za tím vlastně stojí. Z jakýchsi pietních důvodů se v praxi stále používá ono označení alel pomocí písmen a tak se jej podržíme i my.

Aby nám neutekla podstata
Za vší tou nudnou teorií a cizími termíny nesmíme ztratit ze zřetele, že alely PrP genu, které mají vztah k náchylnosti ke skrapii, mají účinek na více vlastností (učeně se tomu říká, že mají pleiotropní účinek). Jak jsme si při jiné příležitosti již řekli, odborníci mají snahu věci normálním lidem komplikovat a tak stejnou věc vyjádřují mnoha různými způsoby. V tomto případě se můžete setkat s popisem daného jevu i následovně: Buďto se jedná o účinek samotného genu, nebo alely PrP genu jsou ve vazbě s dalšími geny na chromozómu. Konkrétně by mohlo jít o vazbu na geny, které mluví do zdraví a přežitelnosti potomstva. Příkladem takových genů je gen hrající úlohu v produkci protilátek (interleukin 2 receptor alfa). Dalším takovým genem na ovčím třináctém chromozómu (který je s genem pro prionový protein ve vazbě), je gen kódující protein B na centromeře, protilátky vázající protein a nebo také gen pro metaloproteinázu 9, která zodpovídá za vznik a šíření nádorů.

Nač tolik podrobností?

Zvětšit obrázek

Ovce vnímavé k prionové chorobě jsou životaschopnější.

Proč se zaplétáme do vzájemného přediva tak rozličných genů a jejich účinků? Jednoduše proto, abychom získali představu o tom, do čeho všeho “hrábneme”, když začneme provádět selekci na gen, který stojí “JEN” za odolností proti prionové chorobě. Do čeho všeho se začneme zamotávat a k čemu všemu také dochází, při našich selekčních snahách zaměřených na ozdravení chovů od skrapie.
Nyní by nám mělo být jasné, že tuto selekci vlastně děláme bez znalosti souvislostí. A že naší snahou o ozdravení chovů toho v populaci zvířat také hodně “rozhasíme”.  Ignorovat polymorfismus (existenci více variant) PrP genu a zaměřit se jen na znak nejvyšší rezistence  (tedy propagování alely ARR), není zrovna to pravé ořechové. Jinak řečeno – šlechtit jen na alelu největší náchylnosti ke skrapii (alelu VRQ), může být hloupost.

Zvětšit obrázek

Šlechtěním na fitnis si ale ve stádech rozšiřujeme geny, které riziko propuknutí onemocnění prionovou chorobou zvyšují.

Proč až nyní?
Zkoumání polymorfismu PrP genu se už nějakou dobu provádí. Ani nedávno publikované práce ale žádná taková jednoznačná zjištění, kterým se tu nyní věnujeme - tedy že by polymorfismus  PrP genu ovlivňoval růst, nebo reprodukční znaky, nepřinesly. Proč tyto starší práce mnohých jiných výzkumných týmů nic takového nezjistily? Jednoduše proto, že nezkoumaly vztah genů náchylnosti ke skrapii k celkovému přežívání zvířat. A nebo že to dělaly nepozorně. Pravdou ale také je, že někteří “starší praktici” určité podezření pojali. Tušili, že ovce, které nejsou odolné ke skrapii, mají jiné přednosti. Důkazy chyběly. Nové poznatky ze Skotska tušení těchto souvislostí dávají za pravdu. Zvířata náchylná ke skrapii převyšují své vrstevníky a vrstevnice ve fitness. Proto se ve stádech neustále obnovuje vysoký výskyt alely ARQ, která je synonymem pro málo odolného jedince, snadno podléhajícího prionové chorobě.
Na podporu této teorie ostatně vystupují i další zjištění. Například to, že vysoké zastoupení této alely náchylnosti ke skrapii je u zvířat chovaných v klimaticky obtížných podmínkách. Tedy v situaci, kdy i malý prospěch rozhoduje o tom, zda stádo přežije nebo vymře. Pravdou je, že tato “divoká alela” nebo také “alela šílenosti”, jak bývá někdy nazývána, je u ovcí dlouhodobě obývajících environmentálně horší podmínky. U ovcí chovaných jako v bavlnce, tak vysoké zastoupení tato alela nemá. To mnohému nasvědčuje. Nicméně stále platí, že snaha vymýtit nemoc skrapii, o což se chovatelé snaží  více než 250 let, je stále neúspěšná.

 
Jak na svůj objev Skotové přišli
Jednoduše. Provedli pokus, při kterém sledovali dvě stáda ovcí. Šlo o stáda starého plemene skotských černohubých ovcí. Všechna narozená jehňata byla bez klinických projevů skrapie. U všech zvířat prováděli genotypování – tedy testy, kterými zjistili, jaké alely v genu pro prionový protein zvířata mají. Jedno ze stád skotských černohubek bylo z klimaticky mírnější oblasti (poblíž Edinburghu). Druhé stádo bylo z klimaticky horší oblasti nacházející se severozápadně od města Perth. Obě ovčí stáda byla spřízněna. V obou se využívali dva stejní berani a protože berani nemohli být ve stejnou dobu na obou místech, ovcím byla prováděna inseminace. Obě stáda měla také stejnou technologii chovu. Vědci u zvířat sledovali polymorfismus v genu PrP a zjistili, že se gen se u zvířat vyskytuje ve čtyřech alelách (ARR, ARQ, AHQ and VRQ).

Zvětšit obrázek

Neblahá alela, která své nositele vystavuje zvýšenému riziku onemocnění prionovou chorobou se vyskytuje v hojném zastoupení u ovcí Soay. Z toho plyne, že tímto onemocněním již trpěly i ovce, které se na Britských ostrovech vyskytovaly dávno před jejich okupací Římany a dokonce dávno před tím, než na tamní území přišli Normané. (Foto: OSU)

Z krevních vzorků narozených jehňat pak určovali jejich genotypy. Sledování stád trvalo od roku 1999 do roku 2004. Štěstím bylo, že při pokusu zootechnici vedli dokonalou evidenci. Proto jim neuteklo to, co uteklo jiným vědeckým týmům, které se rovněž snažily pitvat vliv PrP genu na různé chovatelské znaky. Úspěch Skotskému týmu zajistilo to, že  nesledovali jen počet zabřezlých bahnic a počty narozených jehňat, ale že se ze záznamů podařil dohledat osud narozených jehňat do jejich vysokého věku. Tím se jim podařilo odhalit úhyny jehňat v jejich relativně vysokém věku. A právě to se stalo trefou do černého. Vědcům se tak poprvé v historii podařilo zjistit, že gen pro prionový protein ovlivňuje fitness. 
Statistický rozbor nade vší pochybnost prokázal významnou úlohu genu pro prionový protein v životaschopnosti zvířat a že varianty tohoto genu vyjadřují riziko pravděpodobného úhynu v průběhu  dlouhé doby po narození jedince.
Největší efekt přítom u ovcí mají alely ARR a ARQ. Přičemž alela ARQ znamená pro svého nositele menší riziko úhynu, alely ARR a AHQ naopak znamenají pro vlastníka “palec dolů”. Pro určitý věk je riziko úhynu mezi těmito dvěma skupinami lišícími se variantách PrP genu dokonce dvakrát vyšší.

Přežívání jehňátek

Zvětšit obrázek

Prokáže se neblahá souvislost také mezi plodností skotu a BSE?

Přežití jedince je komplexní vlastnost na níž se podílí mnoho faktorů. Pro chovatele je tento odvozený znak, nazývaný fitness, velmi důležitou charakteristikou. Jde o ukazatel rozhodující o ekonomice podniku. Práce skotských vědců tedy nyní ukázala, že o prosperitě chovu rozhoduje PrP gen i v případě, že stádo je zdravé a klusavkou netrpí. Podíl tohoto genu na ekonomickém úspěchu se projevuje v úhynech jehňat v období od narození  do věku šesti měsíců. Rozdíl ztrát jehňat u genotypů ARR/ARR a ARR/ARQ přesahuje 2%. Shodou okolností se jedná gen, který současně rozhoduje o náchylnosti k prionovým chorobám. Ale i ve zdravých chovech je vliv tohoto genu výrazný. Z tisíce živě narozených jehňat, jich v případě, že jsou genotypu ARR/ARR, zemře o 22 více, než v případě genotypu ARR/ARQ.

Možné souvislosti
Z pokusů na knokautovaných myších vyplývá, že úloha genu pro prionový protein může být spojena s funkcí nervového systému, řízení cirkadiálního cyklu a možná i odolnosti neuronů ke stresu z nedostatku kyslíku a v nervových reakcích po hypoxii. Je možné, že právě postižení těchto funkcí může stát také za pozorovanou vyšší úmrtností jehňat.

Kde se vzal gen pro nižší fitness
Alela ARQ, která na jednu stranu dělá zvíře málo odolné k prionovému onemocnění, ale na straně druhé dává svému nositeli vyšší životaschopnost, se ukázala být původní - “divokou” (ancestrální) formou genu. Od ní byly následně evolucí odvozeny zbývající alely, tak jak v tomto genu docházelo k bodovým mutacím. Prokázal to fakt, že tato alela je přítomna u všech ovčích plemen. Navíc je tato původní alela přítomna zvláště v hojném zastoupení u ovcí Soay z ostrovů na pobřeží Skotska a také u původních ovcí na Islandu. Tato dvě primitivní původní plemena ovcí se ve Skotsku a na Islandu vyskytovala již v dobách, kdy Britské ostrovy ještě nebyly osídleny Normany.    

Klady a zápory
Výhody, které alela ARQ svým nositelům ve stádě, kde zrovna neřádí klusavka přináší, vysvětluje její trvalé přežívání v ovčích populacích.  Gen pro prionový protein (PrP) je pod dvěma selekčními tlaky. Jde vlastně o balancování mezi náchylností k prionové chorobě na straně jedné a vyšší přežitelností potomstva na straně druhé. Podobný komplikovaný vztah, kdy nemoc přináší určitou výhodu, není ojedinělý. Něco podobného známe u choroby zvané srpkovitá anemie, jež svému nositeli dává výhodu odolnosti před napadením parazitem  Plasmodium falciparum -  původcem malárie.

Bude za udržováním náchylnosti k prionovým chorobám stát stejný mechanismus i u dalších druhů zvířat?

Výhody plynoucí z nositelství alely odolnosti ke skrapii jsou malé ve srovnání s tím, co neodolnost přinese ve prospěch nárůstem počtu potomstva v dobách, kdy stádo chorobou klusavka není postiženo. Malé výhody na straně jené a vysoký nárůst potomstva na straně druhé, vedou za situace kdy je stádo zdravé, k rychlým změnám ve frekvenci výskytu ARQ alely v populaci.
Výsledkem je, že celkové zastoupení alely zodpovědné za náchylnost k onemocnění klusavkou neklesá. Proto se také nesnižuje výskyt endemických vzplanutí prionové choroby. A proto také přirozená selekce nikdy nemůže vést k vymizení této choroby.

Jaké můžeme vyvodit závěry z tohoto bádání?
Především jsme pochopili, proč se nám přes úpornou snahu nepodařilo prionové choroby ovce zbavit. A že ani příroda nebude schopna se sama s touto chorobou vypořádat.
Pochopili jsme, že snaha chovatelů o zlepšení reprodukce ovcí ve stádě, nutně povede ke zvyšování rizika vypuknutí prionové choroby.
Nový poznatek ale také ukázal cestu, jak z tohoto začarovaného kruhu ven. Nebude to zadarmo a bude k tomu potřeba využít znalostí molekulární genetiky. Ozdravení stád bude možné jen za cenu určitého ekonomického propadu chovů souvisejícího s nižším počtem jehňat dožívajících se doby dospělosti. Bude na společnosti, jakému řešení dá přednost. Zda upřednostní ekonomiku chovů, nebo zda dá přednost snížení rizika šíření prionových chorob. Pokud do šlechtění nezasáhne stát a nechá-li situaci jen v rukou “trhu”, chovatelé sami se do šlechtění, které jim bude snižovat dlouhodobě zisky, moc nepohrnou.
Zřejmě nejdůležitějším poznatkem je, že stávající šlechtění na co největší fitness, je z hlediska rizika šíření prionových chorob kontraproduktivní.
Můžeme také předpokládat, že stejné principy budou platit i pro další prionové choroby. Například pro BSE skotu. Pokud se tento předpoklad ukáže správným, bude to znamenat dát sbohem šlechtění na plodnost, tak jak se nyní provádí, nejen u ovcí, ale i skotu. A bude-li se jednat o obecně platnou záležitost, bude to znamenat změnu koncepcí šlechtění pro většinu druhů hospodářských zvířat. A ne jen hospodářských.     

Pramen: Scottish Agricultural College