O replikaci už ledasco víme

Že dvoušroubovici je nejprve potřeba rozplést, aby vznikla „vidlička“, že se vlákno musí nejprve přestřihnout a po zkopírování zase na konci ukončit,… a že při tom asistuje celá řada enzymů: DNA polymerázy (těch už známe patnáct), DNA ligáza, DNA primáza, helikáza  (topoizomeráza). O těch všech už víme, co dělají i jak to dělají. Je tu ale jeden problém. Syntéza nového vlákna u nás obratlovců běží rychlostí okolo padesáti nově připojených nukleotidů za sekundu (3000 za minutu). Je to sice pořádný cvrkot, ale nepotřebujeme ani kalkulačku, abychom si spočítali, že když máme v genomu přes tři miliardy písmen (nukleotidů), trvala by replikace každé buňky okolo dvou let...

Jiao Sima, první autorka publikace s objevem rozhodujícího elementu procesu replikace. Kredit: FSU.

Příroda si to vyřešila -  spouští si v buňkách replikaci na zhruba tisíci míst současně. To ale znamená, že v řádu sekund by se  mohly začít v jádru buňky kupit tisíce krátkých vláken. Ty je třeba okamžitě poslepovat, jinak by to dopadlo jako v sáčku s tisícem tkaniček od bot. Právě o této fázi replikace toho zatím víme žalostně málo. Jisté je, že kromě již námi zmiňované party specializovaných enzymů musí při replikaci asistovat ještě nějací „čeledíni“ z řad proteinů, kteří dávají pozor, aby z toho byl orchestr. Jednotlivé kroky replikace se musí správně načasovat, jinak enzymy budou vyrábět části řetězců „na sklad“. A buňka žádné sklady nemá. A navíc je potřeba při spojování řetězců nedělat chyby. Jde o přepis pro organismus hodně důležitých informací,  jakýchsi „vět“,  ty nelze spojovat jak se zrovna komu namane.  Je tedy stále zřetelnější, že v tomto našem schématu nám stále ještě něco chybí - nějaký „pan řídící“, který by určoval, kde a kdy začít, aby se z replikace nestal stav připomínající poslední zvonění před prázdninami.

Jako mnoho jiných, také devatenáctičlenný kolektiv výzkumníků pod vedením zkušeného genetického harcovníka Davida Gilberta z Florida State University se pokoušel v savčí buňce nějaký řídící element odhalit. Tentokrát k jeho dopadení použili vysoce sofistikovaný enzymatický nástroj  CRISPR. Princip hledání přitom byl zcela prostý. Řídili se heslem: „když nevíš, k čemu to tam je, tak do toho flákni kladivem a ono se to někde projeví“. Tím kladivem byl CRISPR. Je na stříhání a ničení vybraných úseků DNA zcela ideální. Provedli s ním stovky pokusů a poničili hodně lokalit v DNA myších buněk. Marně.

David Gilbert, profesor molekulární biologie, vedoucí kolektivu, kterému se podařilo zvláštní úseky DNA molekul řídících replikaci odhalit. Kredit: Bruce Palmer / FSU

Jiao Sima, křehká  dívenka a první autorka publikace na svých stránkách napsala, že teprve až když už to málem vzdali, přišel obrat. V mikroskopu poskytujícím 3-D obraz ve vysokém rozlišení si u jednoho segmentu DNA všimli tří sekvencí, které se často navzájem dotýkaly. I na ně zkusili svoje „kladivo“. Když podezřelou oblast odstranili, ukázalo se, že to je trefa do černého. Stali se prvními na světě, kterým se podařilo spatřit a odhalit sekvence v genomu DNA, které dirigují chromatinovou strukturu, která nejen že řídí chování vlákna DNA uvnitř buněk. I jeho skládání, což by také ještě nebylo tak převratné, ale nově objevená  oblast umí ještě něco. Autoři studie hovoří o „elementu řídícím začátek replikace" a použili pro něj zkratku ERCE. Vy, kteří jste v genetice zběhlí, tušíte, že mají na mysli cis-regulační elementy.

Že jde skutečně o našeho „pana řídícího“, zmíněného v názvu článku, vyplynulo z toho, že kromě organizace 3-D chromatinové struktury, kterážto umožňuje spustit replikaci, v chromozomových doménách toto spouštění replikace také časuje. Všechny zmíněné jednotlivosti spolu souvisí a dost dobře je od sebe oddělit ani nejde, takže se dá říci, že „pan řídící“ není jediný, je „trojjediný“.

Bez elementu "ERCE" (růžově) se replikace nekoná. Kredit: Sima, et al., Cell, 2018.

Další filatelie tripletů

I to se od oponentů lze pod článkem v diskusi lze dočíst. K tak konfrontačnímu názoru je potřeba dodat. Že jde o filatelii v té části molekuly DNA, o níž jsme ještě nedávno byli přesvědčeni, že je naprosto zbytečná a říkali jí „junk DNA“ (odpad). Je pravdou, že nynější objev „teď hned“ žádné praktické využití nemá, ale odhalení elementu s tak významnou funkcí lze považovat za významný milník v poznávání základů života. Na praktické využití sekvencí majících pod palcem dočasné prostorové struktury DNA v budoucnu jistě také dojde. A nebude to jen v kouzlení s dnes tak zavrhovanými GMO. Poznáním „časovače“ se dostáváme k tomu, co už genetici nějakou dobu tuší. Že totiž špatná návaznost při replikaci je prvopočátkem celé řady chorob. Poznatek z Floridy podporuje představu, že by nyní odhalený „pan řídící“ s porouchanou některou ze svých „trojjediností“, mohl páchat v přepisu pokynů pro buňky haldu nesmyslů a to již na samém začátku života buněk. A nejspíš i to nám cestu pozemským slzavým údolím klikatí peripetiemi s rakovinou. Nynější objev nás možná posunul o něco blíź k případné budoucí léčbě.

Zavěr

Objev Gilbertovy party není takovou novinkou, za jakou se označuje. Na to, že když se předloha kopíruje s jistým časovým odstupem, vzniká něco zcela nového, přišla už před Američany naše politická reprezentace. Asi nejdál to naši borci dotáhli s univerzitním zázemím plzeňských práv.

Literatura

Jiao Sima, et al.: „Identifying cis Elements for Spatiotemporal Control of Mammalian DNA Replication“, Cell, December 27, 2018, DOI:https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.11.036