Už v padesátých letech 20. století zformulovali genetici tzv. ústřední dogma. Podle něj je základem dědičnosti dvoušroubovicová molekula kyseliny deoxyribonukleové (DNA). V ní je uložena dědičná informace v podobě „písmen“ genetického kódu. Podle informace DNA se syntetizuje jednoduchá šroubovice molekuly ribonukleové kyseliny (RNA). Podle řetězce RNA je pak v živých buňkách vytvářen z aminokyselin řetězec bílkovin. Vše bylo průzračně jasné. Následující desetiletí výzkumu na poli genetiky tento jasný obraz silně zkomplikovaly. Podle některých genetiků je ústředním bodem dědičné informace právě RNA. Právě ona určuje nejen vzhled bílkovin, které se podle ní syntetizují, ale i funkci genů, podle kterých sama vzniká. Tito odborníci jsou přesvědčeni, že jsou to molekuly RNA, které do značné míry určují, zda podle dědičné informace uložené v genech zapsaných do DNA vznikne kvasinka, muška octomilka nebo člověk. Připisují RNA zásadní funkce v regulaci genů.
Podobné teorie mohou celkem elegantně vysvětlit jinak velmi záhadný fakt. V bakteriích se podle většiny DNA syntetizuje RNA a ta je přepisována do struktury bílkovin. Vše tu probíhá přesně v duchu ústředního genetického dogma. V buňkách vyšších organismů se však nachází velké množství DNA, podle níž se vůbec žádné bílkoviny nevytvářejí. Buňky na první pohled plýtvají i ribonukleovou kyselinou, protože zdaleka ne podle všech jednošroubovicových molekul RNA se syntetizují bílkoviny. Řetězec RNA vytvořený pode instrukce genu je v buňkách vyšších organismů obvykle „rozstřihán“ na části. Některé z nich, tzv. exony, jsou opětovně slepeny a je z nich vytvořen řetězec, jenž slouží jako vlastní předloha pro výrobu bílkovinného řetězce. Na první pohled nepotřebné „odstřižky“ RNA označované jako introny se na vlastní tvorbě bílkoviny nijak nepodílejí. Ale i mimo geny se nacházejí úseky DNA, podle kterých buňky vyšších živočichů vytvářejí jednošroubovice RNA a ty rovněž zůstávají jakoby ležet ladem – bílkoviny podle nich nevznikají. Genetici pro i ymysleli označení „non-coding“ čili nekódující. Zatím se jen přou o to, k čemu je taková „přebyztečná“ nebo nekódující RNA dobrá.
Australský genetik John Mattick z University of Queensland v Brisbane je přesvědčen, že prívě tyto na první pohled zcela zbytečné molekuly RNA jsou u člověka zodpovědné z 98% za to, které geny budou uvedeny „do provozu“ a které zůstanou v buňkách spát. Podle Matticka se dostává nekódující RNA do kontaktu prakticky se všemi aktéry ústřední genetického dogmatu – DNA, kódující RNA i bílkovinami. Vzniká tak nesmírně složité předivo vztahů, které mohou důkladně míchat děním v organismu.
Přitažlivost Mattickových kacířských myšlenek spočívá v tom, že nabízí východisko ze slepé uličky, v které se biologové ocitli poté, co přečetli dědičnou informaci několika vyšších organismů. Člověk má zřejmě jen dvakrát či třikrát více genů než milimetrový jednoduchý červík Caenorhabditis elegans nebo muška Drosophila melanogaster. A tito tvorové mají zase jen dvakrát více genů než jednobuněčná kvasinka Saccharomyces cerevisiae. Nezdá se, že by člověk vděčil za svou neskonale větší složitost jen pouhému počtu genů. Je zřejmé, že vyšší organismy vděčí za svou složitost i tomu, že dokážou jeden a tentýž gen využít k produkci různých bílkovin. Jednou z cest, jak toho dosáhnout, je různé kombinování exonů v RNA, podle které je řetězec bílkoviny syntetizován. V neposlední řadě mohou využívat k modifikaci funkce genů i nekódující RNA.
John Mattick přirovnává regulace prostřednictvím nekódující RNA k funkci počítače.
„Počítač, který by fungoval podle ústředního dogma genetiky by se musel pro vyřešení nové úlohy vybavit i jiný hardwarem. Víme, že to není třeba. Software umožní procesoru počítače, aby se celkem snadno přeorientoval na plnění dalších úkolů. Nemělo by nás překvapit, že se při vývoji velmi složitých biologických systémů příroda propracovala ke stejnému systému – mění se struktury zodpovědné za kontrolu celého procesu a ne samotné funkční jednotky.“
Rozsouzení sporu mezi Mattickovými stoupenci a odpůrci bude trvat ještě dlouho, ale už se objevují výsledky experimentů, které svědčí o tom, že svět nekódující RNA je překvapivě bohatý. Tým vědců z americké molekulárně genetické firmy Affymetrix (ta se významnou měrou podílí na vývoji zcela nových metod zkoumání dědičné informace pomocí tzv. DNA čipů) vedený Thomasem Gingerasem prověřil u všech oblastí DNA ze dvou lidských chromozomů (konkrétně chromozomu 21 a 22) jejich přepis do RNA. Oba chormozomy jsou celkem dobře prozkoumány a tak se ví o většině genů, které na nich leží a které by se měly přepisovat do RNA. „Našli jsme ale desetkrát více RNA, než jsme čekali,“ říká Gingeras.
Drtivou většinu RNA, která se tvoří jaksi „navíc“, jsou právě tzv. nekódující RNA. Jejich přítomnost (byť v ohromných množstvích) však není sama o sobě důkazem, že nekódující RNA sehrává v životě buněk důležitou roli. Takovým důkazem se stal až objem mikroRNA (miRNA).
Molekuly miRNA jsou hodny svého jména a jsou skutečně maličké. Tvoří je 22 stavebních kamenů zvaných baze. Ve sovnání s kódujícími RNA, které mohou mít tisíce bazí, je miRNA skutečný „prcek“. Spíše by ale slušelo přirovnání k malému biblickému Davidovi schopnému skolit mnohem vzrostlejšího Goliáše. Prvními geny, podle kterých se miRNA tvoří, byly objeveny u hlístice Caenorhabditis elegans Geny dostaly názav lin-4 a let-7. Syntetizuje se u nich řetězec RNA, jehož konce se k sobě vzájemně přikládají a získávají tak podobu jakési vlásenky. mi RNA vzniká odštěpením jednoho z ramének. Je schopna se přiložit ke specifickému místo RNA, podle které by se měla tvořit bílkovina, a dokáže tak syntéze této bílkoviny úspěšně zabránit.
Vědci nejprve považovali miRNA za zvláštnost červů. Tento omyl ale záhy vyvrátil genetik Gary Ruvkun z harvard University, který odhalil gen let-7 u širokého spektra organismů – hmyzem a měkkýši počínaje a obratlovci včetně člověka konče. Také geny lin-4 a let-7 nezůstaly dlouho osamoceny a záhy se genetici topili v lavině genů kódujících nejrůznější miRNA. Dnes jich je známo asi 150 a zdaleka to neznamená, že známe všechny. Zcela nedávno se podařilo odhalit geny pro miRNA i u rostlin, což naznačuje, že jde o mechanismus skutečně universální.
Další stopou, která ukazuje na zásadní význam miRNA v buňkách je způsob, jaký účinkuje. Ten sdílí některé společné rysy s řadou velmi významných biologických procesů. Jedním z nich je tzv. RNA interference. Tento fenomén byl objeven více méně náhodou, jako „vedlejší produkt“ experimentů, při kterých genetici zkoušeli na malé hlístici účinky tzv. antisense RNA. Cílem pokusu bylo vyblokovat vybraný gen a postup byl celkem jednoduchý. Podle genu se vyrábí jednošoubovicová molekuly RNA a podle ní pak vzniká bílkovina. Kdyby se v buňkách objevil jednošroubovicový řetězec RNA, který by dokonale „sedl“ na RNA vyrobenou podle genu, tak by se vlákno RNA „oslepilo“ druhý vláknem a žádná bílkovina by nevznikala. K oslepení RNA buňky použili biologové laboratorně připravený jednovláknový řetězec RNA, v němž bylo pořadí bazí opačné k pořadí bazí „cílové“ molekuly RNA. Obě molekuly RNA se od sebe lišily asi jako fotografický snímek od svého negativu. Pro takovou RNA se používá označení antisense RNA (edy cosi jako „RNA s opačným smyslem“) Počáteční experimenty s antisense RNA potvrzovaly tento předpoklad. Ale pak se začaly věci komplikovat. Když vědci pro kontrolu přidávali hlísticím RNA vyráběnou podle genu, na jehož účinek měli zamířeno, projevovaly se podobné účinky jako po podání antisense RNA. To nedávalo smysl. Když pak vědci vpravili do těla hlístic jak cílovou RNA tak i její antisense RNA, nestačili se divit. Účinek byl desetkrát silnější než v pokusech e samotnou antisense RNA.
Ukázalo se, že v pozadí účinku antisense RNA stojí hybridní molekuly RNA vytvářené vzájemným spojením cílové a antisense RNA. Vytvoří se z nich dvoušroubovicová RNA a na tu jsou buňky hlístic notně „alergické“. Reagují a ni dramatickými kroky, které mají za následek praktické vyřazení ze hry u genu, podle kterého se vyráběla cílové RNA. Následně se ukázalo, že podobně dokážou s dvoušroubovicovou RNA zatočit i ostatní pozemští tvorové včetně člověka.
Dvoušroubovicová RNA je enzymem Dicer fungujícícm jako buněčné nůžky rozstřihána na malé kousky složené z 21 až 25 bazí. Ty se spojí s komplexem enzymů označovaných jako RISC a v nich se maličká dvoušroubovice RNA rozplete na jednoduchá vlákna. Tím se jednak RISC nabudí k práci a jednak se vytvoří z řetezce RNA jakási matrice, která zavede komplex přímo k cílové RNA. Právě enzymatický komplex RISC pak cílovou RNA rozstřihá a zahájí tak její totální zničení.
Tento mechanismus plní roli imunitního systému pro dědičnou informaci. Řada virů se snaží zabudovat své geny do dědičné informace hostitele a přitom vznikají dvoušroubovicové molekuly RNA. Virus je pro buňky nebezpečný, protože se může „nabourat“ do genů hostitele a napáchat v jeho dědičné informaci velký zmatek. Proto organismy dvoušroubovicovou RNA tak „nesnášejí“. Tento mechanismus je zřejmě velmi starý a později si jej pozemské organismy uzpůsobil i pro potřeby řízení funkce vlastních genů pomocí miRNA.
Nekódující RNA, z které miRNA vzniká, má tvar vlásenky a obsahuje tedy místa, kde se její dvě vlákna přikládají k sobě. Je to tedy „částečně dvoušroubovicová“ RNA. Zřejmě i proto na ni útočí enzym Dicer a začne ji porcovat. Přitom vyrobí i miRNA. Ta se sice dokáže přiložit na cílovou RNA, ale nedosedne na ni dokonale. Její část od řetězce cílové RNA „odstává“ a cílová RNA není vystavena destrukci enzymatickým komplexem RISC.
Podle některých genetiků jsou mechanismy pro momentální zneškodnění cílové RNA prostřednictvím miRNA jen „ochočenou“ verzí destrukce cílové RNA při RNA interferenci spuštěné výskytem dvoušroubovicových molekul RNA. To, co původně sloužilo buňkám jako zbraň proti nebezpečným vetřelcům se nakonec ukázalo jako účinné pro řízení vlastní buněčné mašinérie. Některé buňky zřejmě přestaly cílovou RNA ve všech případech ničit a to jim otevřelo cestu k brždění některých genů s možností jejich opětovného „odbrždění“ poté, co se miRNA od cílové molekuly RNA opět odpojí.
Doposud objevené miRNA jsou si velmi podobné i u vývojově velmi vzdálených organismů. I to svědčí ve prospěch myšlenky, že jsem tu na stopě velmi důležitého fenomenu, který má v dějinách pozemského života dlouhou historii a klíčový význam. Jen velmi důležité molekuly se v průběhu evoluce života výrazněji nemění, protože jejich vývoj dosáhl optima a každá další změna už může vést spíše k horšímu. Lidé také nevylepšují tvar kola, protože se svým stávajícím kruhovým tvarem plní kolo své funkce dokonale a „vylepšení“ v podobě „hranatých kol“ většinou nevedou k lepším výsledkům.
„Byl by to skutečně krutý žert přírody, kdyby se nakonec ukázalo, že podobnost miRNA vývojově vzdálených organismů je jen výsledkem slepé shody náhod,“ říká Phillip Zamore z University of Massachusetts.
O tom, jestli si příroda s genetiky a biology skutečně zašpásovala se můžeme přesvědčit, když v organismech poškodíme geny, podle kterých se miRNA vyrábí. Jestli má miRNA skutečně tak významnou úlohu, pak narušení její funkce bude mít a organismy drastické následky. Od slov k činům je ale v tomto případ třeba urazit hodně dlouhý kus cesty. Jak už vyplývá z názvu mikroRNA, jsou tyto molekuly velmi malé a docílit poškození genu právě v místě, podle které se miRNA vyrábí je složité – je to zpropadeně maličký cíl.
Zatím se nabízejí pro potvrzení významu miRNA spíše jen nepřímé důkazy. Například v dědičné informaci mušky octomilky se nacházejí molekuly RNA, které mohou být při výrobě bílkoviny „vypnuty“ jen tím, že se na jejich přesně určená místa „něco“ naváže. Mnohá z těchto míst jsou jako stvořená pro vazbu miRNA.
Bylo by nenormální, kdyby se vědci ve věci významu miRNA shodli. Na to je výzkum nekódujících RNA včetně miRNA příliš mladý. Proto můžeme zaslechnout i hlasy, podle kterých je význam nekódující RNA hrubě přeceňován. Francouzský genetik Jean-Michel Claverie je například přesvěden, že při přepisu informace z DNA na RNA dochází k řadě chyb a jejich výsledkem jsou molekuly RNA, které nic nekódují. Podle Claverieho je to jen obyčejný odpad. Americký biolog Sean Eddy je přesvědčen, že příroda má k výrobě nekódujících „RNA zmetků“ jednoduchý důvod – výroba dokonalé bezchybné RNA by byla pro buňky příliš náročná. Jednodušší je podle Eddyho vyrábět RNA jednoduše i s rizikem výroby zmetků. Z výsledné hromady si pak buňka vybere jen dokonalé kopie RNA a zbytek jednoduše „vyhodí do odpadu“.
Tento názor ovšem vyvolal bouřlivou reakci za strany zastánců významné role nekódující RNA a ti dokazují, že nepřesně pracující buněčná výroba RNA, jak ji navrhuje Eddy, by byla pro pozemský život fatálním vkladem. Jedno je jisté – výzkum nekódující RNA pokračuje a nabírá na obrátkách. Možná skutečně přinese odpověď na otázku, jak se mohly pozemské formy života rozvinout do takové úžasné pestrosti navzdory své relativně jednotvárné dědičné informaci. Mohou ale poodhalit příčiny individuálních rozdílů příslušníků jednoho druhu včetně člověka. Otázka, proč jsem každý trochu jiný, nás nepřestávají zajímat i trápit. V této souvislosti se objevují první výsledky, které naznačují, že rozdíly ve fungování naší nekódující RNA, mohou být příčinou vážných chorob. Německý genetik Thomas Tuschl sledoval změny genů, které mohou vyvolávat u lidí některé typy leukémie a narazil i na oblast lidské dědičné informace, která obsahuje gen pro nekódující RNA. Podle Tuschla můžou lidé onemocnět touto vážnou chorobou právě proto, že jejich miRNA neplní dobře svou roli v řízení molekul kódující RNA.
„Ještě před pěti ši šesti lety se většina genetiků dívala na ty, co se věnovali výzkumu nekódující RNA, jako na blázny mrhající zbytečně časem,“ říká německý genetik Alexander Hüttenhofer a neskrývá, že nálepku takového blázna míval i on sám. „Dneska už v nás nikdo bláhové snílky nevidí.“
Ribozymy
Velkým překvapení byl pro vědu objev, že RNA funguje i jako katalyzátor biochemických reakcí. Tyto molekuly dostaly název ribozymy, který jasně demonstruje, že jde o ribonukleovou kyselinu s vlastnostmi enzymu. Americký biochemik českého původu Thomas Cech dostal spolu se Sidneyem Altmanem v roce 1989 za objev ribozymů Nobelovu cenu za chemii.
Ribozymy nejsou jen zajímavou raritou. Už dnes lékaři zkoušení pomocí ribozymů léčit vážně nemocné pacienty. Nadějně skončily první pokusy potlačit pomocí ribozymů infekci virem HIV. Ribozymy ničí RNA virů HIV tím, že ji „rozlámou“. Účinek ribozymů je přísně cílený na přesně určené místo vybrané molekuly RNA a nehrozí, že by ribozymy začaly páchat škody zásahem do vlastní RNA pacienta.
Stejně tak mohou ribozymy „lámat“ i další molekuly RNA. Pro růst nádorů je nesmírně důležitý přísun krve s kyslíkem a živinami, a proto do nádoru prorůstají stále nové a nové cévy. Je to kromě jiného i výsledek působení bílkoviny označované jako VEGF a speciální bílkoviny, na kterou se VEGF váže. Narušení výroby těchto bílkovin rozkladem příslušné RNA pomocí ribozymů přineslo první povzbudivé výsledky například v boji s nádory prsu.