Dioxygenázy jsou enzymy, které jsou v poslední době často citovány. Umí začleňovat oba atomy z molekuly kyslíku do organické látky a setkáváme se s nimi téměř u všeho živého. Rádi je testují i zdravotníci, protože signalizují například zánětlivý proces v mozku, využívají se i v nových formách herbicidů, a nemluví se o nich snad jen v souvislosti s anaerobními mikroby, ti je totiž nemají. Ale už i jednobuněčné améby v nich vykazují s těmi lidskými až zarážející podobnost. Mezi dioxygenázy patří i rodina Ted enzymů a právě ty zkoumal Japonec Hideharu Hashimoto s kolektivem Číňanů pracujících na ústavech a universitách v Massachusetts, Georgii a Illinois.

Zvětšit obrázek

Naegleria gruberi, amébovitý prvok, na jehož enzymu vědci odhalili, jak se z cytosinu v DNA odstraňují epigenetické značky a mění se tím význam zápisu zděděného ve formě genů zapsaných v chromozómech pomocí písmen genetické abecedy (adenin, guanin, cytosin, tymin). (Kredit: George Healy, CDC, United States Department of Health and Human Services

Výzkumníci si enzymy dali do souvislosti se zbytky cytosinu po štěpení DNA. Když totiž začneme rozebírat  DNA, některé příčky dvojšroubovice jsou tvořeny cytosinem. Kromě „čistého“ cytosinu ale tu a tam, vypadnou i jeho modifikované podoby. To ale znamená, že toto písmeno genetického kódu („C“) muselo být v některých místech řetězce DNA upraveno a v molekule DNA se tudíž nevyskytovalo jako cytosin (C) ale v některé z jeho pěti modifikací (jako 5-metylcytosin (5mC), 5-hydroxymetylcytosin (5hmC), 5-formylcytosin (5fC) a nebo 5-carboxylcytosin (5caC)).

Proč zabíháme do takových podrobností? Poněvadž právě tyto úpravy písmen genetického kódu , jejich přikrývání metylovými skupinami (metylace a demetylace), jsou podstatou jevu o kterém se teď hodně mluví a kterému se říká epigenetika. Rodina Tet enzymů jsou právě tím udělátkem, které úpravu písmen provádí. Jinak řečeno - chemicky modifikují do DNA zapsanou informaci, lidově řečeno - kecají do buněčné mašinérie.

Význam těchto enzymů jsme začali doceňovat až během uplynulých pěti let, kdy se přišlo na to, že mají například pod palcem udržování  kmenových buněk v jejich multipotentním (juvenilním, nebo taky všeho schopném) stavu.  Že se (Tet enzymy) účastní časného embryonálního rozvoje mozku a že mocně asistují i při vzniku rakoviny.
Poznání struktury (tím i mechanismu jejich účinku), by mělo pomoci vědcům pochopit, čím jsou Tet enzymy regulovány a pomoci nalézat léky, které jimi dovedou manipulovat. Tým Asiatů pod vedením Xiaodong Chenga je zkoumal metodou rentgenová krystalografie. Jeden z enzymů skupiny Ted, izolovali  z améby Naegleria gruberi. Výsledkem jejich práce je vlastně jen obrázek, respektive schema, které dává představu jak se enzym spojuje s cílovou DNA v místě které má být upraveno a jak se v něm šroubovice ohýbá. Charakterizuje to ale děj, kdy enzym kyslíkem mění 5-metylcytosin na 5-hydroxymetylcytosin a další oxidované formy metylcytosinu. Tedy odhaluje jádro, podstatu a pudla změny funkčnosti DNA při zachované posloupnosti písmen v genetickém kódu.  Tam, kde genetik nesignalizuje žádnou změnu ani poruchu (mutaci) a přesto se daný gen chová, jako by ho náhodná mutace vyřadila z činnosti. Přitom jde v tomto případě  o stav pouze dočasný a nikoliv nějakou nevratnou genetickou vadu.
I když je i tato změněná funkce genu zapsána do média zvaného DNA, rozdíl mezi genetickým a epigenetickým zápisem si můžeme přiblížit přirovnáním. To, co genetik vidí jako posloupnost písmen bází (genetickou abecedou A,C,G,T zapsané geny) a co si můžeme přirovnat k vytištěným listům  kuchařské knihy. Epigenetický zápis je něco jako rukou psané poznámky, které jsme si na okraj návodu  připsali sami, nebo to udělala naše babička. V případě vánočního přirovnání  by taková epigentická noticka mohla znít: „Toho badyánu od Coufalů je potřeba dát tři lžičky, ale toho od Fortelnů stačí jen dvě špetky, jinak bude perník smrdět jak z parfumerie“.

V genech jsou tedy jen strohé příkazy ve smyslu dělej to nebo ono. Každý řidič ale dobře ví, že když automobilová navigace hlásí „zahněte doleva“, dát hned plný rejd, nemusí být to pravé.  I když se poznatek dolaďování funkce genů zatím týká „jen“ enzymu původem půdního prvoka. Jde organismus, který se v prevíta může rychle změnit, když se namnoží, kde nemá. Třeba v nádobách zvlhčovačů vzduchu. To pak v případě smůly lze počítat mrtvé po desítkách. Příbuzná améba N. fowleri jejíž enzym vědci zkoumali, je zajímavá i tím, že je příležitostnou specialistkou na smrtící infekce mozku. V tomto případě ale vědcům ani tak nešlo o jejich patogenicitu, jako o podobu jednoho z jejích enzymů s tím naším. A jejich schopnosti svlékat z genů jejich metylový obal.

Zvětšit obrázek

Struktura enzymu Tet navázaného na vlákno DNA. Fialový puntík označuje aktivní místo, kde je jedna z DNA bází dvojité šroubovice rozpojena. V místě její úpravy enzymem se DNA výrazně zalamuje. Kredit: Xiaodong Cheng, Emory University

Metylové přebaly genů jsou také zajímavou kapitolou. Zatím jsme si řekli, že metylem obdařený cytosin (5-mC) se často vyskytuje na genech, které jsou vypnuty. V hojné míře je i v opakujících se sekvencích genomu. Změny v metylaci jsou nejspíš tím, co transformuje zdravou buňku do nádorové. O epigenetických dějích toho víme zatím tristně málo. A u toho co víme, mnohdy nedokážeme vysvětlit podstatu. Zatím můžeme jen spekulovat, proč ve většině buněk těla jsou metylové značky jakousi brzdou, která brání genům v jejich rozletu, a proč u mozkových buněk, alespoň co se týče metylových nálepek v jejich hydroxylované formě, takto zametylované geny naopak jeví tu nejvyšší mozkovou aktivitu.  Dalším poznatkem, se kterým si také nevíme rady, jsou pozorované změny ve výkonnosti Tet enzymů u pacientů s některými formami leukémie.

Nový poznatek Asiatů pracujících v amerických laboratořích, objasňující strukturu Tet enzymu   odstraňujícího značky dirigující geny aby v buňkách jely jen na málo „sešlápnutý plyn“, nejen, že nám poodhalil další z tajů epigenetiky, hlavně ale by měl pomáhat v hledání takových látek, jejichž molekuly by s Tet enzymy interferovaly. Není nikterak na škodu, že vědci začali s enzymem mikroba, který je ve srovnání s tím savčím jednodušší a jehož molekula je menší a snadněji krystalizuje. To, co bude interferovat s tím u mikrobů, bude i s tím naším. Že by se takovými léky dalo toho hodně napravovat a vylepšovat, netřeba zdůrazňovat.

Savčí Tet enzym má ještě navíc regulační doménu. Ta by také měla být nějak funkční. V souvislosti se zde popsaným novým poznatkem se již spekuluje, že by v jejím případě mohlo jít o další, a ještě jemnější, regulační „knoflík“ na geny. Tak trochu jako když u genetického pokynu zatočte vlevo nám epigenetický pokyn řekne jak moc je potřeba volantem zatočit. Doménová struktura by mohla upřesňovat něco jako - jak rychle do té zákruty můžeme vlítnout. Ale to jsou zatím jen spekulace. Ale možná i další téma budoucího článku, protože právě to si chtějí v Emory University ověřit.

Literatura:
Nature,  Structure of a Naegleria Tet-like dioxygenase in complex with 5-methylcytosine DNA, DOI: 10.1038/nature12905