Již týden se v různých obměnách přetřásá chování kvasinek, které do značné míry mění pohled na vznik mnohobuněčného života na Zemi. Osel o něm informoval v článku „Experimentální evoluce mnohobuněčnosti“. Týká se pokusu, který provedli na Minnesotské universitě. Je tak jednoduchý, že by ho zvládl každý. Stačí k němu jen pivní kvasinka, pipeta a měsíc trpělivosti s mícháním a přenášení kvasinek ze spodní vrstvy, do nového živného prostředí. Obyčejným pasážováním si tak lze z jednobuněčné kvasinky vyselektoval něco, co začne žít společenským životem a tak trochu připomíná primitivní mnohobuněčný organismus. Kvasinky „individualistky“ se geneticky změní a začnou upřednostňovat malá společenství, v nichž buňky spolupracují. Přinejmenším v tom, že některé se ve prospěch celku obětují a páchají sebevraždu, aby se ty ostatní mohly množit. A protože své „společenské uvědomění“ a chování předávají buňky na potomstvo, stávají se názornou ukázkou toho, jakou cestou se v dávných dobách zřejmě ubírala evoluce. A právě to se stalo jablkem sváru. Nezodpovězeny zůstávaly výhrady k rychlosti adaptace provázených změnami v genomu jednobuněčného organismu. Pochybnosti, zda toho kvasinky jsou opravdu schopny, zůstaly.

Jak moc a jak rychle se kvasinky mění?

Zvětšit obrázek

Genom kvasinky Sacharomyces cerevisiae je za normální situace tvořen 17 chromozomy a obsahuje přibližně 13 000 000 párů bází. Z 6275 genů je asi jen 5 800 funkčních. Člověk s pivní kvasinkou sdílí asi 23 % genomu.

Nejlepší odpověď na položenou otázku poskytují výsledky pokusů. Ty nejpřekvapivější získali vědci ze Stowersova ústavu. Referuje o nich i lednové číslo časopisu Nature. V článku se hovoří o chromozomové nestabilitě a aneuploidii, a tak se budeme chvilku věnovat opakování na téma genetická výbava kvasinek.
Buňka kvasinky má toho s tou naší lidskou dost společného. Také má jádro, v něm chromozomy a kromě toho má i mitochondrie. Většina genetické informace je ale uložena v chromozomech a těch má kvasinka Saccharomyces cerevisiae 17. Kvasinkový chromozom obsahuje jednu dlouhou lineární molekulu dsDNA. Mitochondriální dvoušroubovicová DNA se od chromozomální liší, je kratší a kruhová. Kromě toho je v buňce ještě plazmidová DNA. Je sice zajímavá tím, že se stala základem pro konstrukci mnoha vektorů používaných v genových manipulacích. Protože ale tento dva mikrometry dlouhý camfourek DNA v buňce nekóduje nezbytné životní funkce, zabývat se jím nebudeme.

Integrita genomu kvasinek
Odpověď na to, jak stabilní je genom kvasinek dávají výsledky nedávných pokusů pánů Guangbo Chena a Ronga Li, které provedli v Kansasu. Za asistence dalších dvou Američanů si posvítili na počty chromozomů v jádře kvasinek. Již dřívější pokusy signalizovaly, že se stabilitou svého genetického kódu na tom kvasinky moc dobře nejsou. Nynější studie nabouranou představu o „stabilitě“ vyvrací zcela. Praxe ukázala, že když si kvasinky začnou "myslet", že by se jim to mohlo hodit, svůj genom zgruntu destabilizují. Nečiní jim pak problém si některé chromozomy zvíceronásobit, a nebo se jich naopak vzdát. Odborně se rozháranosti počtu chromozomů říká aneuploidie. Ta není výjimkou ani u lidí a té nejznámější z nich říkáme Downův syndrom (jde o trizómii 21. chromozomu). Další je známá pod označením Edwardsův syndrom (trizomie 18. chromozomu), možná znáte i Patauův syndrom (trizomie 13. chromozomu) a Turnerův syndrom (jedinec má jen chromozom X a ne Y). Jsou ale i takové, které vedou k poruchám, jimž se říká „nadsamice“ (aneuploidie samičího chromozomu, takže výsledný genotyp je XXX). Podobně existují i „nadsamci“ (s genotypem XYY). A konečně jedinci s Klinefelterovým syndromem, ti zase mají v jádru svých buněk o jeden samičí chromozom X více a výsledkem je porucha se zkratkou: XXY.

Euploidie a aneuploidie
Kompletní, normální počet chromozomů v buňce se nazývá euploidie. Aneuploidie pak znamená nepřirozený, který může být větší i menší. Pro živočichy změněný počet chromozomů nevěstí nic dobrého a přežití takto postižených jedinců rozhodně neprospívá. U rostlin následky aneuploidie již tak dramatické nejsou. Chybějící chromozom se často projevuje jen horší vitalitou a sníženou plodností. Přítomnost nadbytečných chromozomů se dokonce nemusí projevit vůbec. Kvasinky došly ve svém experimentování s genomem ještě dál. Nejenže jim aneuploidie neškodí, ale ve stížených podmínkách se pro ně stává spásou. Pokus popsaný v časopisu Nature ukázal na ještě další zajímavé věci, ale to si musíme vysvětlit pojmy benomyl a radicicol. Pro kvasinky jsou to jedy, z nichž každý se na jejich buňkách podepisuje jinak. Benomyl jim likviduje vlákna cytoskeletu, kterým se říká mikrotubuly. Ty jsou pro buňku něco jako zasilatelská firma, která při dělení buňky dohlíží, aby se genetický materiál rozděloval „fifty-fifty“. Druhá ze škodlivin vyřazuje ze hry protein chaperone. Ten má v buňce funkci mistra konečné úpravy. I v buňce platí, že v dokonalosti je krása a bez jeho asistence by výsledný proteinové produkty nenabyly té správné formy a buňce by byly k ničemu. Možná si Chen a Li vzali inspiraci v historických událostech své vlasti a jali se kvasinky převychovávat velkými skoky. Zkoušeli co vydrží v nepříznivých podmínkách. Výsledkem byla chromozomová nestabilita.

Guangbo Chen: „Genom kvasinek integritou neoplývá, nemají problém si chromozomy zdvojit, nebo se jich zbavit a znovu si je, když nebezpečí pomine, zaopatřit.“ (Kredit: University of Kansas)

Kvasinky týrané v prostředí s benomylem se k němu staly odolné, když se vzdaly svého dvanáctého chromozomu. Antibiotikum radicicol se ukázalo být ještě silnějším genotoxickým jedem. I jeho nepatrné přimáchání do živného media, které se na rychlosti růstu populace buněk nijak viditelně neprojevovalo, přivodilo zdvojování chromozomů. Otravu radicicolem kvasinky ustály jen když si zařídily, aby v buňce měly dva patnácté chromozomy.

Pokus vědce přiměl poopravit si také názor na to, co je a co není kvasinkám zdraví škodlivé. Označit například zmíněné antibiotikum jen za toxické, již dost dobře nejde. Jednoduše proto, že antibiotický tréning kvasinek jim v některých případech jakoby dává křídla. Po „jedové“ koupeli se bez větších problémů přenesou přes další toxické látky. Nejde přitom jen o antibiotika. Kvasinkám přestávají vadit i škodliviny, jako je benomyl. Nejde tedy o případy již vyzkoušené obrany. Zatímco první setkání s jedem se týká záležitostí patnáctého chromozomu, následná srážka s fluconazolem má co do činění s pořizováním si extra kopie osmého chromozomu. V prostředí s tunicamycinem zase jde o to se co nejrychleji zbavit šestnáctého chromozomu.

Co z toho všeho plyne?
Že kvasinky jsou organismy, které na svých tradicích moc nelpí a o nějaké stabilitě genomu u nich neradno moc hovořit. Učebnicovitě se chovají jen když o nic nejde. Jakmile narazí na problém jednají rychle a moc se s tím nepářou. Místo toho, aby si umlčovaly, nebo zdvojovaly jednotlivé geny, pořizují si extra kopie chromozomů a nebo je dokonce celé zahazují. Škála jejich adaptací je široká a nejživotaschopnější z mutantů se pak chopí nabízené šance. Mechanismus značně „rozvolněného“ genomu je to, co z kvasinek udělalo evolučně úspěšný organismus. Mutanty se zcela jiným genotypem, často i fenotypem, by ještě nedávno mnohý z mikrobiologů považoval za zcela jiný organismus.

Americké týrání kvasinek má i svou praktickou stránku - změny na chromozomech jsou do jisté míry pro různé škodliviny typické. Podle toho které se zdvojují či naopak chybějí lze zjistit, zda se nějaká genotoxická látka v prostředí vyskytuje, případně která.

Třešnička na konec
Jak si myslíte, že se zachovala kultura kvasinek, kterou vědci dovedli až do stavu, kdy se účinkem jedovatého benomylu populace změnila tak, že již žádné buňky s dvanáctým chromozomem neměla?
Když takto vyšlechtěnou kvasinkovou kulturu vrátili do jejího původního prostředí, začaly se v kolonii objevovat stále častěji kvasinky, které si chybějící chromozom nějak zaopatřily. Jak? To už vědci ve svém článku nevysvětlují.

A) Populace kvasinek s plným počtem chromozomů (17). Takové populaci se říká euploidní.
B) Přídavek antibiotika vyvolá stres a v populaci se začnou vyskytovat různí mutanti, přičemž někteří mají dokonce větší či menší počet chromozomů (aneuploidie).
C) V případě stresu vyvolaného látkou benomyl se vyselektuje populace kvasinek, které chybí chromozom číslo 12.
D) Po skončení stresové situace se v populaci začnou vyskytovat a postupně převládat kvasinky, které mají plný počet chromozomů (euploidní).

Pramen: Guangbo Chen a kol., Hsp90 stress potentiates rapid cellular adaptation through induction of aneuploidy, Nature 2012, doi:10.1038/nature10795