Nemusíme se ani potloukat v okolí Fukušimy a přesto naší DNA neustále poškozuje ionizující záření. Zevnitř jí zase ničí volné radikály a kromě vnějšího a vnitřního nepřítele tu je ještě další hrozba – rizikovým počinem je pro buňku  i samotný přirozený proces jejího množení. Jde o akt, kdy se nově vznikající buněčné  subjekty přetahují šňůrami dělícího vřeténka o svou porci informačního materiálu.  Nebývá to bez následků a tu a tam dojde ke zlomům, které postihnou oba páteřní řetězce DNA. Takové poruchy, při nichž se poškodí obě vlákna dvoušroubovice, jsou zvláště nemilé a chromozomální abnormality mají často na svědomí neplodnost, rakovinu,...  V buňce to chodí jako když vlastníte domek, neustále je co spravovat. 

 

Heterochromatin (fialově) představuje zhruba třetinu jaderné hmoty – chromatinu. To platí jak pro mušky, tak pro člověka. Heterochromatin se soustřeďuje okolo centromer, což jsou zaškrcení uprostřed chromozomu, kde se propojují sesterské chromatidy. Je také na koncích chromozomů, tam se mu říká telomery. Ani heterochromatin není ušetřen poruch. Opravy jeho zlomů jsou náročnější, protože je to poněkud zvláštní typ chromatinu - je sestaven z krátkých, mnohokrát se opakujících sekvencí.

Člově se jako pokusný králík v civilizovaných krajinách moc nevyužívá a tak vědci z americké laborky v Berkeley (spadající pod Kalifornskou universitu) si své pokusnické tužby spojené s ozařováním a poškozováním DNA, prováděli na drozofilách. Mušky octomilky si vybrali proto, že mají zhruba stejný podíl heterochromatinu a chromatinu jako lidé. Jde ale o tvory neposedné a tak pokusy nakonec skončily jen u jejich buněčných linií. Na jednotlivých buňkách se dají zlomy chromozomů snadno pozorovat a tak si při počítání zlomů vědci povšimli, že k jejich nápravě dochází velmi rychle. Jde o dramatický proces, zvláště v heterochromatinu, tedy zhruba ve třetině všech případů. Totálně přerušená DNA je zapeklitým oříškem a nedá se dělat jen tak na koleně. Buňka to řeší obdobně, jako když se nám na rušné cestě porouchá auto. Odtáhnou ho do nějaké autoopravny. Buňka také poškozenou část DNA přesouvá na okraj buněčné domény. V místě „nehody“ provádí jen nejnutnější sanaci a poničené vlákno z nepřehledného klubka začne vzápětí povytahovat  aby na všechno bylo vidět a kde se jednotliví členové opravářského proteinového týmu vzájemně nepletou jeden druhému pod nohy. 

Heterochromatin
V heterochromatinu byste geny pro proteiny hledali marně. Na rozdíl od genů se zde jedná „jen“ o jakési krátké opakující se sekvence. Proto se mělo za to, že i opravy budou jednodušší. Nejsou. Opak je pravdou. Ostatně, podobně chybně heterochromatin před časem špatně odhadli i nositelé Nobelovky. Také uvažovali logicky a řekli si, že když v něm nejsou geny, musí jít o něco nevýznamného.  Dnes už víme, že to rovněž není pravda a že heterochromatin není nic, co by patřilo do sklepa mezi haraburdí. Svědčí o tom i aktivita buněk. Pokud dojde v heterochromatinu k nějakému maléru, opravárenská služba se snaží vše co nejrychleji a co nejpřesněji dát do původního stavu.

 Zkrátka a dobře heterochromatin potřebujeme, protože bez něj by nám buňky a tkáně správně nerostly. To, že ho tvoří bezpočty krátkých kousků znamená, že opravy se na něm musí dělat jinak, než jak probíhají v euchromatinu. Mnohé úseky jsou třeba jen z pěti bází, které se ale  opakují i milionkrát. Je nasnadě, že aby se proteinům opravářského družstva podařilo vše vrátit do původní podoby, musí umět hodně dobře počítat.  Gary Karpen a jeho skupina nyní objevili jak si buňka v této části genomu zajišťuje pořádek.
 
Nalezení správné cesty
V případě, že je porušeno jen jedno vlákno v dvoušroubovici DNA, je oprava procházkou růžovým sadem – druhé vlákno lze opravit podle předlohy, kterou je to první, nepoškozené vlákno. Když se přetrhnou obě vlákna, je v sázce mnoho. Buňky si pro takové případy pojistily možnost nápravy hned dvojím způsobem. Jedním je takzvané nehomologní spojení obou konců. Při něm se přerušené konce jen tak trochu očistí a slepí se dohromady. Bez ohledu na pořadí, tak nějak ve smyslu „ať je to, jak je to, hlavně že už to je v hromadě“. Taková volba je vhodná jen pro místa, kde o nic moc nejde a kde vznikají časté mutace a kde ani ty mnoho škod nepáchají.

Zvětšit obrázek

Zjednodušená homologní oprava porušené DNA. Proteiny (nejsou vyobrazeny) nejprve přistřihnou zlomené konce. Zkrátí je tak, aby je snáze rozpoznaly další proteiny (například protein ATRIP). Ty pak do oprav naverbují další molekuly (včetně proteinu RAD51), které naruší (rozpletou) sousední chromatidu nebo homologní chromozom, ale jen tehdy, pokud mají komplementární sekvence. Podle rozpletené matrice se pak dosyntetizuje chybějící část zlomeného DNA vlákna do jeho původní délky i složení. V tomto obrázku je naznačena oprava jen jednoho vlákna. Proces ale probíhá na obou přerušených vláknech současně. (Kredit: Lawrence Berkeley National Laboratory )

Případ dvojitých zlomů v místech kde již o něco jde, je ale jiný případ. Do takto poškozených oblastí přispěchá hned několik proteinů a opravuje se postupnými kroky.  Nejprve se poškozené konce paradoxně ještě více zkrátí. Ustřihnou se aby vznikl kousek jednovláknové DNA, kterou umí jiné proteiny rozpoznat. Jedním z takových proteinů je ATRIP. 
Další člen opravářské čety se jmenuje protein RAD51. Ten se svými pomocníky hledá na nejbližší chromatidě, nebo na homologním chromozomu sekvence odpovídající koncům na přerušeném vláknu DNA. Když takové najde, rozplete ten kousek DNA, aby nebyl ve dvoušroubovici – vytvoří na vlákně dočasnou smyčku a podle této "matrice" se přerušené oblasti na vlákně DNA dotvoří.
Je to ideální metoda pro opravu případů, kdy dojde k přerušení v místech, kde se vyskytují geny (tedy v euchromatinu). V heterochromatinu se ale mockrát opakuje krátký motiv a tak hrozí nebezpečí, že se podobné vyskytují na mnoha místech v genomu. Může tak dojít k dosyntetizování nějakého nesmyslu odjinud a propojení chromozomů, které spolu nemají mít nic společného. Že tu hrozí zadělání na rakovinu, nebo dědičnou chorobu, je nasnadě. 


Teď to tam vidíte ale hned to mizí

Zvětšit obrázek

Protein Rad51, Jeden z proteinů asistujících při opravě molekul DNA, které mají obě vlákna poškozené. (Kredit: Conway, A.B., Nat.Struct.Mol.Biol.)

Při pokusech vědci zjistili, že v heterochromatinu (části DNA, na kterých se buňce provádí opravy obtížně) se první „hasiči“ dostaví na místo maléru neuvěřitelně rychle. Do tří minut jsou vlákna zastřižena a jsou ošetřena proteinem ATRIB. Brzo poté další proteinoví  opraváři místo obalí a provádějí na něm něco, po čemž zduří. Zhruba za půl hodiny se místo přeskupí, utvoří se jakési výčnělky, které jsou vystrčeny na okraj domény (místo přidělené chromozomu). Na upravených heterochromatinových „prstech“ se postupně vyřádí další party proteinů. Co přesně tam probíhá, nevíme. Vypadá to ale na pěkný frmol – objevují se a zanikají roztodivné struktury a vše je tam v neustálém pohybu. Nejdéle za hodinu je oprava hotova, z domény už žádné výčnělky nekoukají ani není nic "oteklého" a vše vráceno do původního stavu. Že tam byl dvojitý zlom už nikdo nepozná.  
Když si představíme DNA jako různě poskládaný a zašmodrchaný motouzek napěchovaný do malého prostoru buněčného jádra a že opravný mechanismus se v této mrskající se skládačce z miliard párů bází, orientuje a poškozené místo dokáže najít a spravit, nezbývá než smeknout před  takovou organizací práce. 

Chromozomy si představujeme jako pružné, které jsou spojeny někde blízko středu a tvarem připomínající písmeno X. Ve skutečnosti tato jeho zhuštěná forma platí jen po krátkou dobu  (mitózy), kdy se buňka dělí. Většinu doby chromozómy jsou méně uspořádané, kondenzované „obláčky DNA“ přičemž každý z chromozomů zabírá v jádře samostatnou místnůstku (doménu). Nedávno se zjistilo, že pokud se buňka chystá něco tvořit, informace s patřičnými geny přeskupí a postrčí do míst, kde jsou dosažitelné pro proteiny. Nynější objev je vlastně tak trochu o tomtéž. Místo, které je potřeba opravit, si buňka také nejprve přesune na okraj a tam ho obnaží a předhodí proteinovým pomocníkům - střihačům, pátračům, kteří zjišťují kde se v genomu vyskytuje podobný odpovídající kousek podle něhož restaurátoři odvodí jak asi vypadala původní ztracená část a ševci to už jen slepí dohromady.
Objev překvapil složitostí procesů, kterými se opravy provádějí. Začne se na jednom místě (doméně) a dokončení opravy se děje úplně jinde. Tak složitý postup není bez chyb a i  náprava poškozené DNA může dospět k tomu, že proteiny při hledání matrice sáhnou do nepatřičné domény (chromozomu). Pak se zkopíruje nesmysl jen proto, že jeho začátek připomínal opravnému systému konec zastřiženého přerušeného vlákna. Takový přehmat bývá stejně škodlivý, jako samotná poškozená DNA před opravou.  Aby k tomu nedocházelo, musí buňka své opravné nástroje dobře hlídat. Mocný protein Rad51 například drží na uzdě dalším proteinem v blokovacím komplexu a k akci jej pouští až když přerušené vlákno „vystrká“ do míst, kde tolik nehrozí, že se stane něco, co povede k rakovině.
Je hodně věcí, které nám v procesu oprav DNA zůstávají skryty a jejichž pochopení by nás mohlo učinit zdravější a odolnější. Nejde tu jen o radioaktivitu, jejíž účinky se zde zkoumaly, týká se to i nemocí jako je rakovina prsu. I u té totiž asistují stejné proteiny a opravné mechanismy.

Pramen: Lawrence Berkeley National Laboratory