Na počátku nového života jsou dvě buňky. Kredit: Jean Effel.

O genomu píšeme často a hodně

Je totiž hodně velký. Ten náš má tři miliardy písmen a je jako knihovna se čtyřmi tisícovkami knih. Jeden gen zaplňuje zhruba pět stran strojopisu a jeden chromozom okolo dvou set svazků. Pro generaci digitálního věku je asi lepší genom připodobnit k programu o 750 megabytech. To znamená, že se celá naše informace vejde na jediné dívídíčko. Kdybychom si ale své „já“ chtěli poslechnout  přečtené nahlas, museli bychom dabérku poslouchat celý svůj život.  Naše buňky tolik času nemají, a tak se v jejich jádře mluví stručně. Jazyk má jen čtyři písmena: A,C,G,T (adenin, guanin, cytosin a thymin). Na to, co k životu potřebujeme, to bohatě stačí.

Alexandre Mayran a Jacques Drouin. Vpravo je první autor publikace o Pax7, který před několika dny vyšel v Nature Genetics. Na obrázku je se svým školitelem Drouinem, profesorem genetiky a odborníkem na řízení genové exprese. Kredit: IRCM.

Když se hovoří o genomu, rádi si ho představujeme jako něco kompaktního a že máme jen jeden. To je sice pravda, ale zároveň i není. Tím, že ho máme ve všech buňkách, tak ve skutečnosti máme v těle tisíce a tisíce genomů. Přesně jich je 75x10¹⁸. A všechny jsou na chlup stejné.

Buňky jsou mikroskopické struktury, zpravidla o průměru pouhé setiny milimetru. Do těch je potřeba genom vměstnat. Je zřejmé, že v podobě DVD, nebo flešky, by se nám to nepodařilo. Naštěstí to máme vymyšleno, a mnohem lépe. Záznamovým zařízením je vlákno. Toto řešení ale má své mouchy. Dva metry informace, navíc nastříhané na 46  tkaniček (chromozómů), je třeba vecpat do kuličky (jádra) o několika mikrometrech. To se pochopitelně neobejde bez všelijakých kroucenin a kudrdlinek. Tím ale vzniká další problém - jak se pak ve změti pokroucených pokynů vyznat. Najít v klubíčku patřičnou část, a nejen ji najít, ale také zpřístupnit čtecímu zařízení. To už je poněkud „vyšší dívčí“. Tím jsme se dostali k záhadě, která už dlouho vrtá hlavou nejedné vědecké kapacitě - jak buňka pozná, kde má ten správný „šuplík“ s popisem práce, aby si mohla nastudovat, co má v danou chvíli na konkrétním místě dělat?

I když genom mají všechny buňky stejný, shodné „knihovně“ navzdory se nám v těle tvoří asi 200 typů buněk. A každý z typů má navíc ještě celou řadu podtypů. Kanadští vědci nyní přichází s tvrzením, že už ví, jak to přinejmenším v hypofýze chodí. Buňky má navádět  Pax7. Bez něj jsou z buněk pomatenci.

Všechny buňky si jsou od přírody rovny. Do vínku dostaly stejný genom. Kredit: Jean Effel.

Když dva dělají totéž

Výsledek nemusí být stejný. V našem případě u buněk za jejich rozmanitost mohou překladatelé. Máme celé armády překladatelů, aby hatmatilku genů zapsanou do DNA převáděli do něčeho srozumitelnějšího. Překladatelům říkáme transkripční faktory. Nejsou to žádní Einsteinové, což se řeší tím, že se specializují. Jedni se vyznají v odděleních literatury faktu, jiní zase ví, kde v DNA knihovně najít pokyny pro architektonické řešení přístaveb.

Zorientovat se v knihovně se čtyřmi tisícovkami svazků není jen tak.

I když jsou naši překladatelé gramotní a samostatní, nelze dopustit, aby začali chrlit své překlady ve stejnou chvíli. Kanadští vědci přišli na to, jak buňky řeší, aby nedošlo k vzájemnému překřikování. Zařizují to tak, že jednotlivé sály knihovny mají jinou otevírací dobu. A tím se dostáváme k objevu faktoru, kterému říkají „klíč“ a nebo také  „pionýr“. Výzkumníci na něj narazili při zkoumání dvou typů buněk hypofýzy. Šlo o buňky stejného původu, které využívaly služeb stejných transkripčních  faktorů. Teoreticky tedy všechny buňky měly být stejné. Nebyly. Zastávaly v hypofýze zcela rozdílné funkce. Některé  volily kariéru spojenou s produkcí kortikoidů (produkují ACTH) a jejich některé kolegyně se realizovaly v tahání za provázek hormonu stimulující α-melanocyty  a pigmentaci.

Podrobnějším studiem se ukázalo, že sice oba typy buněk procházejí školením stejných transkripčních faktorů, až na jeden. Tím je Pax7. Právě tato proteinová molekula je tím, co  razí cestu všem ostatním transkripčním faktorům (proto ten název „Pionýr“). I když Kanaďané pracovali na myších, jejich GM model toho má mít s námi hodně společného.

Podle Drouina se Pax7 chová jako klíč, který otevírá specifické části genomu. Možná by mu víc než klíč a Pionýr, slušelo říkat klíčník. Má totiž na starosti místnosti v různých křídlech ohromné knihovny a ve svém svazku má klíče od 2500 lokalit. To nám dává přibližnou představu o tom, kolik komnat s geny by bez jeho asistence zůstalo buňce zapovězeno. Chemik by nejspíš funkci proteinu popsal jako zpřístupňování vazebných míst. Biolog by doplnil, že v místech, kde dojde k vazbě, tam transkripční faktory spustí simultánní překlad genů do pokynů, kterým už cytoplazma buňky rozumí.

Pracoviště kanadských výzkumníků: Montreal Clinical Research Institute (IRCM).

Částečně se už podařilo také zjistit styl práce proteinu Pax7. Tam, kde se klíčník rozhodne geny zpřístupnit, tam zahájí úklid. Učeně se hovoří o remodelaci okolního chromatinu. Prakticky ale jde o dělání místa pro práce chtivé transkripční faktory. Při nastalém gruntování nejde o nějakou chvilkovou záležitost. Změna je trvalá což v jazyku odborníků zní „zajištění epigenetické stability“. Pro chemiky to je v daném místě pouhé odstraňování metylových skupin.

To, že z některých buněk vyrostou buňky „rovnější“, zařizuje v hypotalamu (a nejspíš nejen tam), protein Pax7.

Laik se diví a odborník žasne nad složitostí choreografie života. Ani zdaleka už nejde jen o to, zda příslušný gen je zdravý, nebo zmutovaný, ale také o tlumení  nebo naopak probouzení genů z jejich letargie. Byli jsme bláhoví, když jsme si mysleli, že po přečtení genomu (projekt HUGO) budeme o sobě vědět už téměř všechno. Nejen, že to nevíme, ale zatím nevíme ani to podstatné. I když máme všechny geny se správnou sekvencí nukleotidů, stačí, aby se něco podělalo v jejich epigenetické regulaci a o zdraví si můžeme nechat jen zdát.

Gen pro protein Pax7 mají nejen hlodavci, ale i lidé. Nám sídlí na chromozómu č.1.

Jedním z klíčníků, který se v nano světě sub-buněčných struktur  stará o to, aby se transkripční faktory dostaly ke genům a včas, je protein Pax7. Už teď je jisté, že o něm budeme slýchat často. A nebude to jen v souvislosti se správným vývojem buněk hypofýzy. Podle Kanaďanů půjde o celou řadu zdánlivě nesouvisejících poruch, rakovinu nevyjímaje.

Nový poznatek by ale měli zúročit také ti, kteří si zahrávají s přeškolováním obyčejných buněk ve specialistky, kterých se nám tu a tam nedostává. Například při cukrovce, Parkinsonově chorobě, či po nehodě, kdy z nás rozdrcený obratel udělá paraplegika. Spolu s Pax7 dostávají genetičtí mágové do ruky další chytré udělátko. Mělo by jim pomoci tahat za nitky jejich svěřenkyň. Ty by  pak v Petriho misce měly ochotněji tancovat tak, jak si výzkumníci zrovna zamanou.

Literatura

Alexandre Mayran, et al.: Pioneer factor Pax7 deploys a stable enhancer repertoire for specification of cell fate, Nature Genetics (2018). doi:10.1038/s41588-017-0035-2

University of Montreal