Zvětšit obrázek

Ukázalo se, že genom si osvojil organizaci na způsob fraktálové kuličky. Získal tím možnost neuvěřitelně husté komprimace a přitom vyloučil riziko uzlování, které by jí bránilo číst svůj vlastní genom. (Kredit: Bang Wong, Broad Institute)

Dnes už se ví, že funkční geny, byť jde o geny nacházející se na různých chromozómech, si buňky umísťují moudře. Mají je pěkně pohromadě. Dělají to tak proto, že k nim pak snadno mohou  dopravovat proteiny a další regulátory. Genom je tedy organizován do jakýchsi oddělených šuplíků. V jedněch jsou geny aktivní, se kterými se pracuje a do těch druhých se ukládá to, čemu by se momentálně mohlo říkat „veteš“. 

Podle údajů zveřejněných americkými vědci je uspořádání DNA v jádře ve formě fraktálů. S trochou jízlivosti můžeme dodat, že zatímco ještě ani dost dobře nevíme, zda sněhová vločka je fraktálem nebo není, troufáme si to tvrdit o struktuře jádra buňky, na kterou jsme se zatím dokázali „kouknout“ ledabyle humpoláckou metodou a to doposud jen jednou. Ale na druhé straně, každé zviditelnění práce je dobré, tak proč ne. Slovo fraktál je nyní módním a tak články s tímto textem budou hodně čteny. I my na Oslu se bez protestů přikloníme k označení, které začíná razit devatenáct autorů článku z Harvard University a MIT (Massachusetts Institute of Technology):  „fraktálnové globule“. 

Hi-C technika
Jak postupně poznáváme strukturu buněčného jádra, neubráníme se úžasu. Zlí jazykové tvrdí, že hustota záznamu v jádře je trilionkrát vyšší, než hustota, jaká je u počítačových čipů. Přitom jde o architekturu, která je nárazu vzdorná, zauzlování odolná a nedělá jí problém se přeskupit, když si buňka vymyslí dělat něco jiného, nebo když na ní přijde dělení. Někteří vědci již před dvaceti lety teoretizovali, že v jádře zřejmě dochází k pakování do jakýchsi kuliček. Měli ale na mysli kuličky s pravidelným, rovnoměrným uspořádáním vlákna. Poznání v tomto směru šlo pomalu a tak přesnější představa o vyšších strukturách DNA v jádře buněk se za těch posledních dvacet let moc nezměnila. Nynější posun v poznání dovolila až technika Hi-C. Jde o genomovou analýzu prováděnou na široké bázi genů, které jsou si blízké (nikoli funkčně, nýbrž místně).

Zvětšit obrázek

Trojrozměrná (3D) skladba chromozómů ukazuje na jejich „škatulkování“ na oddělené funkční elementy, jež spolu prostorově souvisí. (Kredit: Harvard University)

Sledovat něco na živé buňce je problém. Vlákna DNA se neustále mrskají a přeskupují. Zkoušet to na mrtvých buňkách také není nejlepší nápad, protože je těžké předvídat, zda nějaké destrukce neprovedou autolyzační procesy. U zmrzlých buněk zase selhává možnost použít ke zkoumání enzymy. Z této mizérie pomohl vědcům obyčejný formaldehyd. Dokáže totiž zafixovat strukturu jádra a polohu vláken tak, jak se v daný okamžik nacházejí. Pak mohou přijít na řadu i enzymy. Ty jsou dobré k tomu, že umí propletenec vláken rozstříhat na menší kousky. Odborníci v tomto případě mluví o molekulárních nůžkách. Nejde ale o nic jiného, než o enzymy zvané restriktázy. K rozcupování genomu v tomto případě vědcům posloužil chřipkový virus. Ten, když se nám chce dostat pod kůži, respektive do genomu, musí naší DNA nejprve „rozstříhnout“. V našem případě byl použit enzym z lidského chřipkového viru (HindIII). Když se na chromatinovou masu buněčného jádra pustí zmíněné nůžky, začnou z ní odpadávat kousky jako slupky z cibule, jen s tím rozdílem, že jich je moc. Souběžně s tím, jak kousky DNA začaly z jádra odpadat, prováděli vědci jejich sekvencování. Porcováním genomu na miliony úseků s následným zjišťováním jaké geny se na tom kterém nacházejí, se jim podařilo vytvořit prostorovou mapu jaderné DNA. Nešlo tedy o zkoumání toho, jak daleko se od sebe geny na rozbaleném vlákně DNA (v lineární struktuře) nacházejí, ale jak k sobě mají blízko v prostoru. Samozřejmě, že údaje z milionů útržků vláken připomínaly na konci pokusu spíše rozsypaný čaj, než cokoli jiného.

Zvětšit obrázek

Zhruba dva metry DNA se umí smrsknout do jádra o rozměrech setiny milimetru. Umožňuje to struktura, která se vědcům jeví jako „fraktální kuličky“. Poznatek je dalším krokem k funkční genomice. (Kredit: Harvard Univ.

 Složit toto super-puzzle by nebylo v lidských silách, dokázal to až počítač. Ten sice něco vytvořil, ale nebylo ještě jasné, zda je to skutečně to, co odráží prostorovou realitu. Bylo potřeba to nějak ověřit. Jak již víme, tak výsledky prvního pokusu byly získány loupáním klubka virovým nástrojem Hind III. V druhém, ověřovacím kole posloužil k porcování klubka DNA jiný enzym (NcoI). Přesto, že nový enzym porcoval vlákno ve zcela jiných místech a z klubka genomu odpadávaly jinak dlouhé kousky, počítače z nich sestavily téměř shodnou prostorovou mapu. To je možno považovat za důkaz toho, že prostorová struktura jádra je skutečně taková, jakou se vědcům podařilo zjistit hned napoprvé a kterou nazvali fraktální kuličky. 

Statistika
Nejde jen o obrázek 3D struktury. Z na padrť rozmrveného genomu, o jehož kouscích víme co obsahují a kde jsou umístěny, se toho dá vyčíst hodně. Například to, že hladina pravděpodobného interchromozomálního kontaktu se mezi různými chromozómy liší. Naprříklad místa (lokusy) na chromozómu 1 jsou nejraději v kontaktu s lokusy na chromozómu 10 a oba dva jmenované chromozómy zase mají pramalou chuť se bratříčkovat s lokusy na chromozómu 21. A nebo malé, ale na geny bohaté chromozómy, se svými lokusy rády druží s jinými malými, na geny hojnými chromozómy. Jinak řečeno to znamená, že se musí spolu dávat dohromady (shlukovat) i v onom prostorovém uspořádání. Podobných souvislostí se zjistilo habaděj. Zatím jsou ale tyto poznatky jen takovou filatelií bez praktického využití. Nicméně v budoucnu kdo ví?

Pramen: Harvard University, Science 9 October 2009: Vol. 326. no. 5950, pp. 289 - 293
DOI: 10.1126/science.1181369