Genomika

Porovnání genomů člověka, šimpanze, makaka a dalších druhů dává překvapivý závěr: Hnacím motorem našeho vývoje nebyla změna pořadí bází v genech. Šlo o změny v té části genomu, které říkáme nefunkční DNA, nebo také „junk DNA“. Jde o pár písmen genetického kódu v úseku zvaném HACNS1. To je místo evolučního skoku do vzpřímené chůze a šikovných rukou. (Kredit obr: NASA)

Čtení genetického kódu se automatizuje, a tak organismů s přečteným genomem je čím dále tím více. Samotné přečtení ještě nic neznamená, protože pořadí písmen v nějakém genu ještě nic nevypovídá o tom, že gen také pracuje. Tomu, zda je gen funkční a zda se projeví, se říká exprese. Exprese genů závisí na negentických věcech, kterým říkáme epigenetické vlivy. Těmi se ale dnes zabývat nebudeme. Další věcí, na které činnost genů závisí, jsou takzvané enhancery. Jde o sekvence (sledy písmen genetického kódu), které geny řídí. Je obtížné na ně přijít, protože mnohé z nich vůbec nejsou blízko genu, o kterém rozhodují. Nejsou tedy součástí kódující oblasti, kterou by šlo podle produktu vystopovat. Stopováním tady máme na mysli to, že gen mající za úkol produkovat protein nebo hormon se najde snadno, protože sled jeho písmen (A,G,C,T) koresponduje s pořadím aminokyselin ve výsledném produktu. Odhalovat regulační elementy „enhancery“ - rozkazovačné úseky, které samy nic neprodukují (žádný protein, žádný hormon), je pro genetiky mnohem větší zábava. Zvláště pokud jde navíc o změny v expresi genů, které přispěly k lidskému vývoji před dávnými časy. To už jde opravdu o hledání oné pověstné jehly...
V poslední době mají vědci podezření na tisíce takových míst, která by mohly fungovat jako regulační elementy, jež jsou v nekódující oblasti genomu (junk DNA) a které by mohly být jakýmisi prsty na vypínačích regulérních genů. Problémem při hledání regulačních elementů je fakt, že jsou v poloze „zapnuto“ už miliony let, a tak je v populaci většinou není s čím srovnávat a jak jejich funkci odhalit, protože jsou u všech jedinců daného druhu, mnohdy i více druhů, stejné. Takové oblasti se nám jeví jako evolučně zakonzervovaná místa a nebo jako genetický odpad.

Zvětšit obrázek

James Noonan, Yale University School of Medicine: „Nalezli jsme genetického původce změn, které měly zřejmě vliv na zásadní morfologický odklon lidí od ostatních hominidů.“

Změny v junk DNA

V této junk DNA byly vědcům podezřelé sekvence, které se u nás vyvinuly teprve nedávno a teď se jimi lišíme od opic. Tým pracovníků z Kalifornie, Singapuru a Velké Británie zkoumal nekódující oblasti lidského genomu s cílem zjistit v nich regulační sekvence, jejichž funkce se v průběhu věků mohla změnit. Zaměřili se na rozdíl mezi námi a našimi opičími předky. Začali hledáním míst, která mají více změn párů bází, než kolik jich mají v odpovídajícím úseku genomu ostatní primáti. Nejrychleji se kumulující změny v sekvencích našli v oblasti, která byla u lidí nazvána, bůh ví proč, zcela nezapamatovatelným označením  HACNS1. Pod tímto nic neříkajícím jménem je u obratlovců vysoce konzervovaná sekvence. My lidé v ní ale máme změnu šestnácti párů bází. Tato změna se udála v době, kdy jsme se před nějakými šesti milióny let se šimpanzi rozešli. Jde sice jen o šestnáct písmen genetické abecedy, ale i to je čtyřikrát více změn, než kolik by se jich v tak malé oblasti mělo vyskytnout. To znamená, že jde o oblast, jež byla vystavena silnému selekčnímu tlaku, a že vhodné změny v této oblasti poskytovaly svým nositelům tolik výhod, že se rychle rozšířily do celé populace.   

Test na geneticky modifikovaných myších
Aby vědci odhalili funkci podezřelých sekvencí, jali se dělat pokusy na myších embryích. Zkoušeli, jak HACNS1 a příslušné odpovídající sekvence u šimpanzů a makaků budou na myšky působit.

Zvětšit obrázek

Na fotografiích je patrné, že lidská sekvence působí jako enhancer genů, které mají na starost vývoj očí, úst, sluchového ústrojí a končetin. Postupně, jak embryo roste, je stále zřetelnější, že šimpanzí sekvence a sekvence makaka nemají na vývoj končetin vliv.

Aby zjistili, co že to vlastně HACNS1 udělá, vnesli lidskou sekvenci HACNS1 do myši. Vytvořili myší kmen, který zmíněný kousek lidské genetické informace měl ve svém myším genomu. Stejně tak učinili s šimpanzí obdobou lidské oblasti HACNS1 a obdobnou sekvencí od makaka. Od všech byly vytvořeny myší kmeny. Do té chvíle nikdo netušil, co se bude dít. Aby na vyvíjejícím se zárodku bylo něco vidět, zařídili to tak, aby se místa, kde by pod vlivem těchto sekvencí došlo k aktivizaci genů, zbarvila modře. Po pokusu bylo hned jasno, že tyto sekvence dokáží popohnat aktivitu genů v místech vyvíjejícího se palce, zápěstí a kotníku. Odpovídající sekvence šimpanzů a makaků zato neudělaly s myšími geny v končetinách vůbec nic. Výsledky jsou patrné na obrázku.

Kouzla s 16 písmeny
Ani pak si vědci nedali pokoj a jedinečnost lidských enhancerů prověřili ještě jiným způsobem. Oněch šestnáct změn z lidské verze HACNS1 přidali k šimpanzí verzi a naopak. Tím naopak je míněno, že z lidské verze vyoperovali oněch 16 změn, takže zkoumanou sekvenci evolučně vrátili k době, kdy jsme ještě byli součástí tlupy šimpanzů. Pak zkusili, co to udělá s embryem. Tušíte správně. Obohacená šimpanzí verze začala na vývoj myších končetin působit stejně jako předtím ta lidská zkoumaná sekvence. Zato vykuchaná lidská sekvence (zbavená důležitých 16 změněných písmen genetického kódu) s vyvíjejícími se končetinami ani nehnula.

Důkaz nedůkaz
Na základě těchto výsledků vědci usuzují, že jde o rozdíl, který stál v minulosti u změny pro nás tak  převratné – vzpřímené chůze. Pravdou ale také je, že HACNS1 sekvence sice s buňkami myšího palce něco dělá, ale co to přesně je, nevíme. Stejně tak ani nevíme, jestli tato sekvence skutečně něco dělá s vývojem lidských palců. Na lidském embryu samozřejmě nikdo tyto pokusy nedělal. Celá úvaha tedy stojí jen na porovnávání přečtených genomů a zjišťování rozdílů mezi nimi a na zkoušce - co vytipovaný úsek udělal v nevyvinuté myšce. I když to nelze považovat za nezvratný důkaz nalezení původce naší přeměny ve stopořence, lepší zatím nemáme.

Význam balastu
Tento objev je důležitý ještě z jednoho důvodu. Začíná nám vnášet jasno do přemíry genetického balastu, který si miliony let taháme s sebou přesto, že to je energeticky zatěžující a nelogické. Ten balast se nám postupně začíná jevit v jiné světle, jako místa s funkcí jakýchsi genových posilovačů - enhancerů. Termín junk nebo odpad či skladiště pro ně už nebude nadále tou nejlepší volbou. Indicií, svědčících o tom, že v nekódující DNA oblasti jsou funkční elementy, přibývá.

Také v pozdějším stádiu vývoje embrya tmavomodrá barva jasně signalizuje, která místa jsou pod dohledem vnesené genové sekvence. Jsou to tlapky myších embryí, konkrétně místo budoucího palce a kotníku. (Kredit: Yale University)

Kromě zde uvedeného případu ovlivněných tlapiček jsou i další popsané případy. Mnohé z těchto nekódujících oblastí si jsou podobné jako vejce vejci. A to i u tak od sebe vývojově vzdálených organismů, jakými jsme my a slepice. Zakonzervované sekvence z junk oblasti, které má člověk i kur, také dohlížejí na náš vývoj. Mnohé z takových uchovaných nekódujících oblastí DNA jsou potřeba pro tvorbu mozkových buněk.
Dokonce to vypadá, že některé úseky jsou natolik zásadní, že si je organismy chrání jako oko v hlavě a nenechají si na ně ani sáhnout. Ačkoli do těchto míst zakonzervovaného genomu buší mutace stejně mocně jako do jiných částí, zůstávají tyto sekvence beze změn po miliony let. Přitom okolní části genomu se mění. Nabízí se tu vysvětlení, že jakákoli změna se vymstí a jedinci s takovými změnami vymřou. Proto logicky žádné jedince se změnami v této části genomu nenalézáme, což se nám s odstupem doby jeví jako „genetické konzervy“.

Tak jsme si to tady pěkně vysvětlili a už tomu začínáme i věřit. A proč by také ne, když takové shodné oblasti máme my lidé i s ptakopyskem. Neznamená to nic jiného, než že si takové genetické konzervy v junk DNA oblasti táhneme evolucí po stamiliony let. Podle Occamovy břitvy je tím nejlepším vysvětlením, které se nabízí, závěr, že jde o důležité oblasti genomu.

Nikdy neříkej nikdy
V genetice platí totéž, co v politice -  nikdy neříkej, že něco nejde. Přijde blbec, který neví, že to nejde, a udělá to.
Přesně to se povedlo molekulárnímu genetikovi Edwardu Rubinovi s jeho týmem z Lawrence Berkeley National Laboratory. V Kalifornii myším velkou část jejich nic nekódující oblasti (junk DNA) z genomu vystřihli. A že to byla pořádná porce - celkem 2 miliony párů bází. Místo toho, aby myši v duchu teorie o důležitosti nekódující DNA pomřely, nebo aby se z nich aspoň stali neduživci, prospívaly bez sebemenší újmy a vesele se smály na svět. Pracně komponovaná teorie o nepostradatelnosti junk DNA tak dostala pořádně na frak. Vysvětlení pro vás nemám. Možná to bude tak i onak. Některé části junk DNA zřejmě budou nepostradatelné a jiné pouhým šmejdem. To, že jde v některých oblastech skutečně o šmejd, svědčí i případ endogenních retrovirů. Pozůstatky takových infekcí v nás zůstávají a nevyvolávají žádné onemocnění, ani na ně náš imunitní systém nijak nereaguje. Opačným případem, kdy junk DNA hraje jakési „první housle“, je právě odhalený případ sekvence HACNS1 a jejího účinku na embryonální vývoj. Na stávající úrovni poznatků to vypadá, že nekódující DNA je obrovskou hromadou hlušiny, v níž se tu a tam něco potřebného přece jen najde. Někdy jsou to věci, které jsou pro nás takříkajíc k nezaplacení.ˇ
 
           
Pramen: Yale University , Science Blogs