Mitochondrie jsou buněčné organely, které mají obě pohlaví. Na potomky je předávají matky. Jsou to útvary o průměru zhruba 300 nanometrů. Jejich počty v buňce kolísají od typu buňky a jejímu zatížení, od stovek až do sta tisíc. Tento pár pochází z plicní tkáně a snímek byl pořízen transmisním elektronovým mikroskopem. (Kredit: Wikipedia)

Buňky mají jádro

Procesu, ve kterém buňka nebo potomek, získává vlastnosti nebo predispozice k vlastnostem rodičovské buňky nebo organismu, říkáme dědičnost. Na triku to mají molekuly deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Informace jsou zakódovány pořadím nukleotidů a zápis je strukturovaný do jednotek informace, kterým říkáme geny. Lidskou jadernou DNA tvoří něco přes tři miliardy párů bází, což při navázání vláken chromozomů by dalo asi „metr dvacet informací“. Představuje to u nás zhruba 20–25 tisíc genů, což není tak moc, když to srovnáme s hlísticí Caenorhabditis elegans, která jich má stejně. Informace v jádře rozhodují o většině věcí, včetně toho, zda z nás bude holka, nebo kluk.

Buňky mají mitochondrie

Kromě výše zmíněné hlavní porce informací, uložené v buněčném jádře a předávané potomstvu prostřednictvím útvarů zvaných chromozomy, máme DNA také ještě v semiautonomních buněčných organelách zvaných mitochondrie. V některých buňkách mitochondrie vypadají jako klobásy nebo se podobají se bakteriím, v jiných zase tvoří bohatě se větvící vlákna a jejich sítěmi jsou doslova protkány. V jedné buňce jich může být až sto tisíc. Záměny v jediném písmenku genetického kódu mají na náš život mnohdy až překvapivě velký efekt. Jsou varianty, které působí jako turbodmychadlo na buněčné motory pohánějící spermie. Jiné jsou zase výhodnější s ohledem na dýchání uvnitř tělních buněk. A tak se nositelé různých typů mitochondriální DNA (mtDNA) liší v náchylnosti na horečky a mají lepší vyhlídky na uzdravení v případě těžké sepse.

Zvětšit obrázek

Dělící se savčí buňka. Modrá barvička obarvila DNA. Je to shluk chromozomů po jejich zdvojení, těsně před tím, než začnou putovat k opačným pólům buňky, aby se mohla rozdělit ve dvě s plnohodnotnou chromozomální sadou. Mikrotubuly dělícího vřeténka jsou obarveny zeleně. Centrioly jsou patrné až při větším zvětšení (viz červené útvary ve vyznačených čtvercích). V nedělících se buňkách se nachází pouze jeden pár centriol, tzv. centrosféra. Centrosféra a astrosféra představují centrosom (vřeténko). Před začátkem dělení buňky (konkrétně v S-fázi) se každá centriola zdvojí (replikuje) a v průběhu mitózy putují oba páry centriol na odvrácené póly buňky. Zde zastávají úlohu organizačních center pro vznikající dělící vřeténka. Snímek byl přízen světelným mikroskopem. Kredit: Gönczy lab.

I když se s některými mitochondriálními poruchami žít dá, jsou i  smrtelné. Sněmovna Spojeného království v loňském roce hlasovala pro legalizaci revoluční genové terapie umožňující nahrazovat mitochondrie, jejichž genom obsahuje škodlivé mutace, za mitochondrie od dárkyně. Takový zákrok lze provést při oplodnění ve zkumavce a „aktu“se zprostředkovaně svou genetickou informací účastní nikoliv dvě, ale hned tří osoby. Proti tvorbě potomků dvou matek a jednoho otce, se ohradili duchovní anglikánské i katolické církve a některé světské nátlakové skupiny, kterým jsou terapie gmo také proti srsti. Argumentovali možností, že děti se třemi rodiči by mohli trpět fyzicky a psychicky. Podle představ odpůrců manipulací s genomem, je riziko plynoucí ze zdravých mitochondrií větší, než následky škodlivých mutací. Legislativci ale takového názoru nenabyli a nemocným ženám možnost mít zdravé děti povolili.

A mají také centrioly

Centriola je o něco menší buněčná organela, než mitochondrie. Je párová, připomíná tvarem tak trochu soudek. Pozoruhodná je tím, že je schopná samostatného dělení.  Nejvíc je známa jejich role v buněčném dělení. zajišťují, aby se chromozomy spořádaně přesouvaly do nových dceřiných buněk. Centrioly toho umí podstatně víc. Jsou také v tenoučkých buněčných výběžcích – bičících, brvách, řasinkách. Jejich zásluhou se sousední buňky dokážou domlouvat a synchronizovat pohyby svých řasinek. Celek pak připomíná to, čemu na hokeji říkáme „mexická vlna“. Dobré to je například k tomu, že se naše plíce mohou zbavovat pylu, prachu, či vdechnuté mušky. Řasinkový epitel neúnavně ve dne v noci nepořádek posouvá až tam, odkud ho můžeme polknout, nebo vychrchlat.

Centrioly zatím byly na okraji našeho zájmu i proto, že vyšší rostliny a houby, se bez nich zcela obejdou. Švýcaři si myslí, že na modelovém organismu u nich přišli na další možnou funkci, která by je stavěla do role dalšího možného media přenášející informace. Nasvědčovat by tomu mohl jejich přenos do zygoty, kde pak ve formě nedegradovaných proteinů, jakoby chráněných, prosperují po celou řadu buněčných cyklů. Poslíčky s informacemi by z nich měl dělat proces, kterému se říká posttranslační modifikace. V podstatě to znamená úpravu proteinů až po jejich nasyntetizování ribozomem.

Pierre Gönczy, vedoucí výzkumného kolektivu na EPFL, Lausane, Švýcarsko

Mitochondrie se dědí po mateřské linii a na nového jedince přechází prostřednictvím cytoplazmy vajíčka. V hlavičkách spermií mitochondrie nejsou a ty které proniknou do vajíčka na krčku bičíku, jsou obratem skartovány. Samčím mitochondriím zasáhnout do děje dovoleno není.  Centrioly ve spermiích jsou. Každá spermie má dvě. Jejich přenos na potomky se tak stává záležitostí chlapskou. Ovšemže za předpokladu, že se ovlivňování vznikajícího embrya prostřednictvím proteinů obsažených v centriole potvrdí, a že stejné to bude i u nás. Pak teprve s jistotou bude možno prohlásit, že jde o nový informační systém zajišťovaný samčí gametou (spermií), který nemá nic společného s Y chromosomem. Nešlo by tedy o dědičnost prostřednictvím jaderné DNA a takové ovlivňování zygoty (potomka), by se řadilo k tomu, na co již máme kolonku epigenetika. S velkou dávkou nadsázky výzkumníci začali mluvit o kompenzaci samičí genetické nespravedlivé nadvlády docilované předáváním mitochondrií.

Centrioly jsou válcovité struktury (0,15 µm v průměru a 0,3 - 0,5 µm dlouhé) složené převážně z vysoce organizovaných mikrotubulů. Mutace v proteinech, které je tvoří, mohou způsobit širokou škálu onemocnění - od vývojových poruch, vad dýchacích cest, samčí sterility až po rakovinu. Centrioly do oplodněného vajíčka přicházejí pouze od otce. Jejich chování na samotném počátku života vede vědce k domněnce, že jejich úloha je tam více než žádoucí. Snímek byl pořízen elektronovým mikroskopem. (Kredit: Pierre Gönczy / EPFL)

Zatímco mitochondrie jsou útvary vybavené  DNA a geny, v centriolách nic takového nenajdeme, protože jsou to útvary tvořené pouze proteiny. To, co by měly oba systémy společné, by byla jen účast na sprostředkovávání mimojaderné genetické informace. U mitochondrií se jedná o pozůstatek genomu bakterií, které jsme si kdysi dávno ochočili a nějak jsme si za ty miliony let na sebe zvykli, že už bez sebe nemžeme žít. O původu centriol toho moc nevíme. V čem jsou si s mitochondriemi podobné je asi jen to, že jsou to  autoreproduktivní částice vznikající "de novo". Obě organely mají dlouhé prsty, které strkají do buněčného metabolismu a kromě celé řady onemocnění se montují i do procesů souvisejcících se stárnutím.

Že by centrioly mohly být poslíčkem jednosměrných informací pro postranslační úpravy ve vyvíjejícím se embryu, mělo vyplynout z výsledků pokusů na modelovém červíku z rodu hlístic, háďátku obecném. Podepřít tuto fantasmagorickou předsavu má fakt, že proteiny centriol, jsou evolučně konzervovány a že je  nemají jen červi, ale i hlodavci a to už jsou, stejně jako my lidé, savci. Pokud samcem, přes spermii vnesené centrioly, prostřednictvím svých proteinů, po několik cyklů množení buněk s vyvíjejícím se embryem skutečně nějak „cvičí“, bylo by nepravděpodobné, že by se tento mechanismus, nám lidem, vyhnul.

Revoluce?

To, že komponenty samčích centriol, přetrvávající ve vyvíjejícím se embryu déle, než by tam měly být, je sice hodně zajímavé, ale jen pro odborníky. Ledasčemu to nasvědčuje, ale teprve až by se zjistilo, že tam opravdu fungují a jako nějací „mentoři“ školí vyvíjející se zárodek a že jeho proteiny napomáhají životu v jeho kritickém období, tak to by byla „pecka“. Ale zase ne tak velká, protože už o první případ informací předávaných proteiny, nejde. O zprostředkování informace v živočišné říši prostřednictvím proteinů už víme delší dobu.

Stěny centrioly jsou složené z mikrotubulů uspořádaných kruhově. Tvoří je tubulin. Kredit: Twooars, Wikipedia.org. Licencováno pod CC BY-SA 3.0

Nejznámnějším případem se stala nemoc šílených krav (BSE), neboli spongiformní encefalopatie. Dala genetikům pořádnou facku za jejich přesvědčení, že „co nemá DNA, nebo aspoň RNA, nemůže se ani šířit“. Políček uštědřila i technologům za jejich klamavé tvrzení, že autoklávování likviduje všechny  patologické zárodky. Své si slízli infektologové, za propagování bludu, že zkrmování kafilerní moučky z ovcí krávám je bezpečné. My ostatní od té doby víme, že vařením hovězího v papiňáku se prionů nezbavíme a že nemoc se předává i mezi druhy tak vzdálenými, jako jsou hlodavci – přežvýkavci - člověk. Na klinikách se zase poučiili, že nákaza je přenosná jak krevní konzervou, tak běžně sterilizovaným skalpelem.

Některým proteinům zkrátka není dobré věřit ani nos mezi očima. A to přesto že žádnou nositelku dědičnosti v podobě molekul DNA, či RNA, nemají. Mocnými je dělá jejich odolnost vůči teplu i desinfekčním prostředkům. Přitom „zlo“ se na nich může vytvořit pouhým dotykem, které jejich molekulu nevhodně prostorově poskládá. Zdravou molekulu kontakt s takovým zloduchem změní natolik, že sama začne plnit  funkci  matrice a  pro své okolí se stává hrozbou. Neurony se zašmodrchaných proteinů nedokáží zbavit, hromadí ho v cytoplazmě, až je to nakonec zahubí a to i se svým hostitelem. S prionovými chorobami to je jako s chřipkou, také jich je hodně typů a liší se mírou infekčností i tím z kterého druhu na jaký jsou schopny přeskočit.

Plicní řasinkový epitel. Tenké buněčné výběžky ve své základně mají centrioly. Umožňují jim pohyb synchronizovat, aby se celek choval jako dopravníkový pás. Bez informací zajišťovaných centriolami by řasinky honily škodliviny jen z místa na místo. (Kredit: Charles Daghlian, Dartmouth Univ.)

Ne všechny případy ne-jaderného a ne-mendelistického, šíření informace z rodičů na potomstvo jsou špatnými zprávami spojenými s utrpením. Příkladem těch   dobrých je navěšování značek na vlákno DNA. Podle toho, jaká značka se na místo s genem přilepí, funkci čtecího mechanismu buňky to v daném místě usnadní, nebo zhorší. Příslušný gen se pak „rozběhne na větší obrátky“ nebo přibrzdí na lenivého pecivála. Tímto mechanismem (navazováním metylových skupin na DNA) se řídí například diferenciace buněk. Metylace, demetylace, acetylace,... jsou tím, co nám dovoluje rychle reagovat na změněné podmínky prostředí, dolaďovat pevně nastavené genetické mantinely, co dělá  náš život pestrým a snesitelným.

Psáno pro ALPHA MEDICAL a Osel.cz

Mezi husarské kousky epigenetiky patří i ovlivňování dědičnosti zvané  genomický imprinting. Při něm záleží, zda gen přišel do zygoty „na spermii“, nebo byl ve vajíčku – tedy od matky. Názorným příkladem genomového vtiskování je rozdíl mezi mulou a mezkem. I když v obou případech mají naprosto stejné chromozomy a jadernou DNA, geny si pamatují, zda tatínek byl osel, nebo tatínek osel nebyl.

Pokud se potvrdí co říká Pierre Gönczy, že centrioly jsou dalším prostředkem jednosměrného předávání informace, půjde o zasahování do samého počátku života. A pochopením významu setrvávání proteinů centriol od samečků ve vyvíjejícím se zárodku, bychom měli dostat do ruky nástroj, kterým by se daly napravovat další z dědičných poruch a neplodností. Také by to mohlo vzít vítr z plachet našim drahým polovičkám a udělat přítrž jejich chlubení, jak svými mitochondriemi naše společné potomky přetvářejí více k obrazu svému.

S pozdravem: „Centriolám zdar!“

Literatura: Balestra FR, von Tobel L, Gonczy P. Paternally contributed centrioles exhibit exceptional persistence in C. elegans embryos. Cell Research 24 April 2015. DOI: 10.1038/cr.2015.49
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne