Šimpanz nebo makak?
Genetické analýzy dosvědčují, že se šimpanzem sdílíme 98,8% dědičné informace. Je to dědictví po společném předkovi, který žil zhruba před šesti miliony roky. Lišíme se tedy jen nepatrně a vědci doufají, že poznáním těchto rozdílů pochopí genetický základ lidských duševních schopností a lidské řeči. Mohli bychom také přijít na kloub záhadě chorob, které člověka těžce postihují, zatímco lidoopy nechávají na pokoji.
„Jen tak se dozvíme, co z nás dělá lidi,“ říká Yoshiyuki Sasaki z lékařské fakulty univerzity v Tokiu. Řada genetiků by ale raději utrácela peníze určené na „čtení“ opičího genomu za odhalování tajemství genomu makaka rhesuse. Makaci se na rozdíl od šimpanzů a dalších lidoopů relativně hojně využívají ve výzkumu a patří k nejdůležitějším laboratorním zvířatům. Jedna taková kolonie „pokusných makaků“ se nachází i na území české republiky. A ať se nám to líbí nebo ne, právě při pokusech na makacích se dozvídáme velmi důležité údaje o tom, jak pracuje mozek primátů. Makaci mají mozek o mnoho jednodušší než lidé, ale přeci jen nás od těchto opic nedělí taková propast jako od laboratorních myší nebo potkanů. Některé neurologické výzkumy na hlodavcích nelze ani dost dobře provádět, protože vztažení jejich výsledků na člověka by bylo, mírně řečeno, notně „vachrlaté“. Stejně tak nelze na hlodavcích spolehlivě studovat některé lidské choroby. Například rakovina prsu, která patří k vůbec nejčastějším lidským nádorovým onemocněním, je podmíněna specifickými hormonálními podmínkami panujícími v lidském těle. Navodit tyto poměry v těle myši je prakticky neřešitelný úkol. Hormonální poměry v těle samic makaků a žen se ale tak diametrálně neliší. Podobně slouží makaci k výzkumu a vývoji vakcíny proti onemocnění AIDS.
V současné době ale přeci jen převažuje ve vědecké obci názor, podle kterého by měl šimpanz dostat pře makakem přednost. Spory nekončí a jsou často velmi ostré. Přitom tu zjevně nejde o volbu mezi horším a lepším objektem pro čtení dědičné informace. Obě opice - makak i šimpanz – by si přečtení svého genomu jistě zasloužily. „Jde o to vybrat si mezi filosofickým a evolučním aspektem čtení genomu šimpanze a biomedicínským uplatněním informací získaných z dědičné informace makaka,“ vysvětluje finský genetik Svante Pääbo působící v ústavu evoluční antropologie na Institutu Maxe Plancka v Lipsku. Pääbo z „titulu své funkce“ v lipském ústavu samozřejmě intenzivně „lobuje“ ve prospěch čtení šimpanzího genomu. Jeho kolegové ze „šimpanzího tábora“ navíc namítají, že i výzkum šimpanzího genomu má nemalý biomedicínský význam.
Potíže se srovnáváním genomů
S tím, jak se prodlužuje seznam tvorů s „přečteným“ genomem, nabírá na síle nová vědní disciplína – srovnávací genomika. Ta si klade za cíl poznat vzájemné evoluční souvislosti mezi pozemskými organismy srovnáváním jejich dědičné informace. Zatím se soustředili vědci především na hledání těch částí genomů, kterými se různé organismy podobají. Každá dědičná informace prochází neustálou změnou. Důležité úseky se ale v průběhu věků mění jen málo, protože většina změn v nich vede jen k horšímu. Nositelé pozměněných životně důležitých genů bývají postiženi natolik, že se v soutěži s konkurenty neprosadí a vyhynou. Nedůležité úseky se mění se stejnou četností, ale neúprosná ruka přírodního výběru dá jejich nositelům milost. Znalost kompletního šimpanzího genomu slibuje zásadní zvrat. Při jeho srovnávání s lidským genomem nás bude přednostně zajímat to, v čem se obě dědičné informace liší. V prvním kole vědci počítají s tím, že až 90% všech odlišností se nakonec ukáže jako falešná stopa, protože budou padat na vrub chyb při čtení genomů. Ty se podaří s postupem času odstranit podobně, jako dokáže zlatokop opatrně odmýt z rýžovací pánve bláto a písek, aby na dně zůstala vytoužená zlatá zrnka. Genetikům tak zbude jen to, co nás od šimpanzů odlišuje. V té chvíli začne to pravé genetické dobrodružství.
Už teď vědci tuší, že se budou muset vypořádat s jednou velkou záhadou. Dědičná informace je v buňkách rozdělena do jednotlivých porcí zvaných chromozomy. Když se genetici srovnáváním rozdílů v genech snaží určit, jak dlouho se jednotlivé druhy vyvíjely samostatně a „sbíraly“ změny ve své dědičné informaci, často jim vychází, že jednotlivé chromozomy jsou různě staré. To je samozřejmě nesmysl. Ve skutečnosti to znamená, že se každý chromozom proměňoval svým vlastním tempem. Ani tento fenomén však není snadné logicky vysvětlit.
Tyto rozdíly se většinou netýkají malé části genomu, kde jsou uloženy geny. Ta zabírá u člověka jen 1,1 až 1,5% z celkového počtu 3,2 miliardy písmen genetického kódu. Mnohem složitější je situace ve zbytku genomy, jehož účel a význam zatím pořádně neznáme. Někdy se o této části dědičné informace hovoří jako o „zbytečné“, ale to je zjevná nadsázka. Někdy nám připadají rozdíly ve „zbytečných“ částech genomu porovnávaných organismů opravdu nápadné. Mnoho takových do očí bijících rozdílů objevili genetici například ve „zbytečných“ částech genomů myši a člověka. Zatím si ale nejsou úplně jisti, jestli vedle sebe postavili ty části myšího a lidského genomu, které si vzájemně odpovídají. Myš a člověk se liší nejen počtem chromozomů ale i rozmístěním genů na nich. Genomy člověka a šimpanze jsou si navzájem o poznání podobnější, a tak tu bude hrozit podstatně menší riziko porovnáváním neporovnatelného.
Některé části lidské dědičné informace podléhají změnám extrémně často a vědci je označují za hypervariabilní. Ty lze srovnávat s odpovídajícími částmi myšího genomu jen za cenu mnoha nepřesností nebo vůbec ne. Za 60 milionů let, jež nás dělí od dob, kdy jsme s myší sdíleli společného předka, se tyto hypervariabilní části genomy změnily k nepoznání.
Co ukážou „snipy“
Velkou pozornost věnují genetici při zkoumání lidského genomu „snipům“. Tento termín z genetické hantýrky vznikly ze zkratky SNP, za níž se skrývá slovní spojení „single nucleotide polymorphism“. „Snipy“ jsou taková místa dědičné informace, kde se dva jedinci liší v jednom písmeni genetického kódu. Na vrub „snipů“ padá drtivá většina individuálních rozdílů v dědičné informaci lidstva. Odhaduje se, že se lidé vzájemně liší zhruba v 0,1% dědičné informace. To znamená, že dědičná informace Eskymáka obývajícího ledovci sevřené fjordy Grónska a Austrálce lovícího klokany ve vyprahlé pustině na okraji Gibsonovy pouště (abychom si představili dvě opravdu nápadně odlišná etnika) se liší v každém tisícím písmeni genetického kódu. Genetici pátrají po „snipech“ uprostřed genů a zkoumají, nakolik se mohou tyto varianty genů vzájemně lišit ve svých funkcích, nakolik podmiňují náchylnost k chorobám nebo zda neovlivňují naši reakci na podané léky.
Ve chvíli, kdy takový „snip“ genetici objeví, není nijak jednoduché určit, která varianta je původní a která je nová. Porovnání lidských „snipů“ s odpovídajícími místy dědičné informace šimpanze by nám mohlo při řešení tohoto zapeklitého problému poskytnout velmi důležitá vodítka. Ruský genetik Leonid Krugljak působící na Fred Hutchinson Cancer Research Center v americkém Seattlu vyvinul komplikovaný počítačový program, s jehož pomocí je možné pátrat v lidském genomu po „snipech“ souvisejících s náchylností člověka k různým chorobám. Je přesvědčen, že pokud bude vědět, které formy „snipů“ jsou „originál“ a které vznikly později, dokáže svůj software využít i ke sledování dávných lidských migrací. Velké naděje ale upírají ke srovnání lidského a šimpanzího genomu vědci, kteří chtějí poznat základ lidské řeči a lidských rozumových schopností. Prvním „úlovkem“ na tomto poli se stal gen FOXP2, jehož mutace vyvolává u lidí vážnou poruchu mluvení a narušuje řečové schopnosti. Svante Pääbo spolu s Tonym Monacem z University of Oxford porovnali lidský a šimpanzí gen FOXP2 a zjistili v něm odchylky, jež vyústí v obměnu podle nich vyráběných proteinů ve dvou aminokyselinách. Někteří evoluční biologové považují tyto změny za důležité pro rozvoj řečových schopností člověka.
Méně je více
Přečtení dědičné informace šimpanzů by nám také mohla potvrdit či vyvrátit podezření, že za evolučním vzestupem člověka stojí ztráta „opičích genů“. Podle amerického biologa Maynarda Olsona z University of Washington v Seattlu i v lidském genomu platí, že „více je méně“. Naši opičí předci byli dokonale přizpůsobeni životu v korunách pralesních stromů. Při přechodu do suchých stepí a změně života došlo k mutaci či inaktivaci „genů pro pralesní život“ a to samo představovalo mohutný evoluční stimul. Zastánci této teorie argumentují, že důsledkem ztráty opičích genů byl pokles síly svalů, ztráta ochlupení a oddálené dospívání. Někteří genetici přidávají na misku vah, jež by měla převážit ve prospěch argumentů o důležité roli „ztráty opičích genů“ i skutečnost, že lidstvo je z hlediska proměnlivosti své dědičné informace úžasně homogenní. Stavy šimpanzů jsme sice drasticky zredukovali, ale i jejich zbytky nás variabilitou dědičné informace hravě strčí do kapsy. Přitom lidí žije na zemi 6 miliard a šimpanzů přežívá v rovníkové Africe nejvýš pár set tisíc.
Důkazy pro teorii „čím méně, tím lépe“ se začínají pomalu hromadit. K nejvýznamnějším patří bezesporu objev týmu genetiků z University of California v San Diegu vedených Ajitem Varkim. Ti zjistili, že člověk na rozdíl od lidoopů postrádá gen pro enzym, který přidává k bílkovinám na povrchu buněk molekuly cukru zvaného kyselina sialová. Lidské buňky také postrádají na povrchu buněk vazebné bílkoviny (tzv. receptory) pro vazbu molekul kyseliny sialové. Šimpanzí buňky jsou těmito receptory plně vybaveny. Ztráta některých genů nás podle Maynarda Olsona na jedné straně vynesla na výsluní evoluce, ale na druhé straně nás ponechala bez ochrany před některými chorobami. Lidé strádají degenerativními onemocněními, jež šimpanze vůbec nepostihují, a mohou se nakazit viry, vůči nimž jsou šimpanzi od přírody imunní. Ve srovnání se šimpanzi se stáváme snáze obětí nádorových onemocnění. Bariéry chránící naše buňky můžou být narušeny právě ztrátou kyseliny sialové z povrchových bílkovinných molekul. Například viry se mohou na takto „nekompletní“ výbavě povrchu lidských buněk snáze uchytit. Platí to zřejmě i o viru HIV, který je původem virem šimpanzů a teprve před několika desetiletími infikoval i člověka.
„Šimpanzi jsou nakaženi prakticky totožným virem jako lidé a přitom se u nich onemocnění AIDS rozvine jen zcela výjimečně,“ říká Ajit Varki.
Tento dramatický rozdíl v soužití s virem HIV už inspiroval celou řadu výzkumných týmů. Například americká soukromá biotechnologická společnost Evolutionary Genomics pátrá po rozdílech v lidských a šimpanzích genech, jež by rozdílnou vnímavost k viru HIV vysvětlovaly. Motiv jejich usilovného pátrání je jasný – najít obranu proti onemocnění AIDS.
„Chceme vědět, jak šimpanzi problém onemocnění AIDS vyřešili,“ říká Walter Messier, ředitel Evolutionary Genomics.
Je rozdíl v regulaci?
Nizozemští genetici se domnívají, že jeden ze šimpanzích obranných mechanismů již odhalili.Tým z výzkumného centra v Rijswijku vedený Ronaldem Bontropem je přesvědčen, že tajemství odolnosti šimpanzů k viru HIV se skrývá v genech pro MHC (tzv. major histocompatibility complex), jež sehrávají klíčovou roli ve fungování imunitního systému. Ačkoli je dědičná informace šimpanzů výrazně variabilnější než lidský genom, geny pro MHC šimpanzů jsou naopak podstatně jednotvárnější. Bontrop z toho vyvozuje, že kdysi dávno měli šimpanzi přinejmenším stejně variabilní geny pro MHC jako lidé. Pak se ale nakazili na předka dnešních virů HIV a nositelé neúčinných variant genů pro MHC infekci smrtícím virem nepřežili. Jejich varianty genů pro MHC tak ze šimpanzí populace nenávratně vymizely.
Mnozí genetici ale nepředpokládají, že by lov na rozdíly v genech šimpanzů a člověka skončil kdovíjak bohatým úlovkem. Poukazují na zarážející skutečnost, že zatím jsme podobných rozdílů v dědičné informaci lidí a šimpanzů našli překvapivě málo.
„Budu skutečně překvapen, když takových rozdílných genů najdeme víc než jen pár,“ tvrdí japonský genetik Tetsuo Yamamori z Ústavu pro základní biologický výzkum v Nagoji.
Yamamori patří do početného tábora genetiků, kteří nepřipisují hlavní rozdíly ve fungování lidského a šimpanzího těla jedinečným „lidským“ nebo naopak „opičím“ genům, ale různému „zapínání“ či „vypínání“ jedněch a týchž genů. Lidské a šimpanzí buňky tedy „vaří“ z jedněch a týchž genetických „surovin“ velmi rozdílné „pokrmy“.
Svante Pääbo už prověřil, jak se liší šimpanzí a lidské tkáně v produkci bílkovin, a zjistil, že nejmarkantnější rozdíly ve spektru aktivních genů lze pozorovat v mozku, zatímco spektrum syntetizovaných bílkovin v krvi nebo v játrech je velmi podobné. Toto zjištění před nás staví hned celou řadu nových otázek. Ta nejzákladnější zní: Proč se některé tkáně lidí a lidoopů liší spektrem aktivních genů?
Prvním místem, kde zřejmě budou genetici pátrat, jsou tzv. regulační části genu, které jsou zodpovědné za „zapínání“ a „vypínání“ genů na správném místě a ve správný čas. Ve hře mohou být i podstatně nenápadnější regulační mechanismy, o jejichž existenci jsme ještě před několika roky neměli ani tušení. Stopy po nich budeme hledat v bezbřehém moři dědičné informace mezi jednotlivými geny (geny zabírají v lidské dědičné informaci jen 1,1 až 1,5%). Podle těchto úseků se zřejmě vyrábí v buňkách mnoho malých molekul ribonukleové kyseliny, jež procházejí dalšími úpravami a nakonec můžou napojením na vlastní dědičnou informaci buď odblokovat nebo zablokovat jednotlivé geny.
Makak nevychází z módy
Neklesá ani poptávka po informacích o genomu makaka rhesuse. Naopak, hlasy, jež se těchto údajů vehementně dožadují, zaznívají stále silněji. Údaje o kompletní dědičné informaci makaků by totiž jen zhodnotily obrovskou zásobu výsledků výzkumu prováděných na opicích tohoto druhu. Mnohé poznatky by se tak dostaly do úplně nového světla. Již jsme se zmínili, jak by nám mohlo studium genomu šimpanzů pomoci s bojem s AIDS. Stejné naděje ale upírají vědci i ke studiu genomu makaků. Tyto opice hostí ve svém těle virus SIV a ten u nich vyvolává onemocnění velice podobné lidskému AIDS. Makaky lze tedy pokusně nakazit virem velmi podobným lidskému viru HIV a vyvolat u nich onemocnění, jež mohou biologové následně studovat a hledat proti němu obranu. Dokonce i pro pochopení evoluce člověka by mohlo mít čtení genomu makaků velký význam. Makaci se liší od člověka asi 5 až 7% dědičné informace a to je dostatečně široké pole pro pátrání po genech, které se na vývoji lidského druhu podílely.
Dalším významným argumentem pro čtení genomu makaka jsou etická hlediska. Pokusy na lidoopech, a šimpanzích zvláště, jsou z hlediska etického podstatně problematičtější než pokusy na makacích. Chov makaků je podstatně jednodušší a proto je lze chovat v lépe kontrolovaných a definovaných podmínkách. To přidává výsledkům získaným výzkumem na makacích na hodnověrnosti a spolehlivosti.
Z toho vyplývá, že na otázku, zda číst dědičnou informaci šimpanze nebo makaka existuje jediná správná odpověď. Kdyby to šlo, měly by se číst oba genomů současně. Stálo by to jistě obrovské peníze, ale je více než jisté, že lidstvu by se tato investice v dohledné době vrátila – třeba právě v podobě účinného léku nebo vakcíny proti původci AIDS viru HIV.
Japonci jdou do čela
Vybrané „kousky“ dědičné informace šimpanzů se snaží „přečíst“ týmy genetiků z celého světa. Největší projekt na čtení šimpanzího genomu však odstartoval v Japonsku. Na konci roku 2002 se mezinárodní konsorcium dirigované ze Země vycházejícího slunce dokázalo vypořádat s přečtením jedné ze 24 „porcí“ šimpanzí dědičné informace - chromozomem 22. Ten je zajímavý tím, že je obdobou lidského chromozomu 21, jenž už byl rovněž s úspěchem přečten. Konsorcium vedené Yoshiyukim Sasakim z lékařské fakulty univerzity v Tokiu.se už několikrát pokusilo přesvědčit agentury pro podporu vědy, aby poskytly prostředky, které by konsorciu umožnily rozšířit záběr z jednoho chromozomu na celý šimpanzí genom. Zatím marně.
„Máme před zbytkem světa asi dvouletý náskok a to nás předurčuje k vedoucí roli v projektu na čtení šimpanzího genomu,“ říká Akiyoshi Wada, ředitel Centra genomiky v Jokohamě. „Jenže my vždycky čekáme, až co udělají Spojené státy. Pak se teprve pohneme- ale to už bývá příliš pozdě.“ Wada nemluví do větru. Podobně přemlouval japonskou vládu k financování projektu na čtení lidského genomu koncem 80. let – tedy v době, kdy se americký projekt ještě zdaleka nerozběhl. Japonci se rozhoupali, až když dali čtení lidského genomu zelenou Američané. Lze tedy očekávat, že poté, co se k záměru „číst šimpanze“ přihlásily USA, se otevřou měšce pro studium dědičné informace tohoto lidoopa i v Japonsku.