Evoluce probíhala za pravidelného střídání se dne s nocí
Věk Země se odhaduje na 4,54 miliardy let. O asi 840 milionů let později, někdy před 3,7 miliardy let se objevily první známky jednoduchého jednobuněčného života.Velmi pozvolna se začalo roztáčet soukolí evoluce přetvářející své produkty do nesčetných forem přizpůsobených různým podmínkám a hledajících pod tlakem nelítostné konkurence svůj způsob přežití. Až na ojedinělé výjimky se organismy vyvíjely v prostředí ovlivněném z hlediska života věčnými a neměnnými cykly – střídáním dne a noci i ročních období. Schopnost se těmto pravidelným změnám přizpůsobit případně je využít, poskytovala evoluční výhodu a byla hnacím motorem vývoje cirkadiálního biorytmu, jenž vylaďuje fyziologické pochody podle způsobu života a vnějších opakujících se a tedy předvídatelných cyklů. Najít původní molekulární mechanismy těchto vnitřních hodin však není jednoduché, protože doposud identifikované geny a příslušné proteiny, které denní biorytmy řídí, jsou u různých organismů, zástupců tří hlavních větví života – archea, bakterie a eukaryota (s buněčným jádrem) - příliš odlišné. Vyvinuly se nezávisle minimálně pětkrát, nebo něco prapůvodního, nenápadného, co není přímo dirigováno expresí genů přece jen spojuje všechny biologické rytmy odrážející rotaci planety?
Na aerobní dýchání vázaný cirkadiální rytmus peroxiredoxinů
Pro lepší pochopení zajímavé představy, kterou se snaží prokázat britští vědci, si připomeňme, že peroxiredoxinové proteiny jsou životně důležité pro organismy všech tří zmíněných domén, jež se – až na některé výjimky - přes dva a půl miliardy let vyvíjejí v oxidačním prostředí. Dýchají kyslík, což má i svou stinnou stránku - riziko buněčného oxidačního stresu vyvolaného reaktivními kyslíkovými molekulami a ionty. Peroxiredoxiny, jak naznačuje samotný název této evolučně velmi staré rodiny enzymů, redukují peroxidy tím, že jim odebírají kyslík, čímž se samy dočasně oxidují a působí tak jako katalyzátory rozkladu nebezpečných molekul. Tím zároveň regulují na peroxidu závislé řetězce signálních mezibuněčných reakcí.
Peroxiredoxiny svou působností zasahují nejen do metabolizmu buňky, ale i do procesu jejího dělení, diferenciace nebo řízené smrti (apoptózy).
U savců bylo odhaleno šest různých typů peroxiredoxinů, tvořících 0,1 až 1 % všech bílkovin v jejich buňkách. Evolučně vzdálená bakterie Escherichia coli jich má jenom polovinu, mají však mezi jejími proteiny větší zastoupení. Ani rostliny se bez těchto enzymů neobejdou, chrání jejich fotosyntetický aparát před poškozením kyslíkovými radikály.
Časopis Nature přináší článek, v němž 19členný britsko-americko-nizozemský tým předkládá zajímavou, i když možná trochu kontroverzní teorii, která za prvotní, všem organismům společný vývojový signální prvek cirkadálního rytmu považuje peroxiredoxinové proteiny a jejich pravidelné cykly oxidačno-redukčních stavů. Jde o převratné myšlenky, protože tyto enzymatické hodiny nejsou závislé na zdánlivě nevyhnutné diktatuře genů, i když samotné bílkoviny si buňka musí samozřejmě syntetizovat podle výrobního genetického programu. Pro svou funkci ale peroxiredoxiny žádnou DNA nepotřebují. Nejde však o zbrusu novou teorii. Dva její hlavní představitelé – Britové John Stuard O’Neill a Akhilesh B. Reddy z Univerzity v Cambridge, patří v prestižním Nature mezi úspěšné autory. Jen loni jim k tomuto tématu vyšly dva články (na Oslu zde), v nichž dokazují, že peroxiredoxiny v lidských červených krvinkách podléhají pravidelnému dennímu biochemickému rytmu, a to navzdory tomu, že tyto krevní buňky nemají buněčné jádro a tedy žádnou řídící jadernou DNA. Peroxiredoxiny si svou cyklickou aktivitu uchovávají i v případě, že nekolují v krvinkách živým tělem, ale vegetují v umělých podmínkách v Petriho misce. Druhá loňská studie cirkadiální rytmus peroxiredoxinů prokázala u nejmenšího samostatně žijícího eukaryotického organismu – mořské zelené řasy Ostreococcus tauri.
Zakonzervovaná pradávná adaptace
Nejnovější studie, v jejímž autorském kolektivu dvojice O’Neill a Reddy samozřejmě nechybí, rozšiřuje paletu důkazů o známé, evolučně navzájem vzdálené modelové organismy – nenápadnou rostlinku huseníček rolní (Arabidopsis thaliana), mušku octomilku obecnou (Drosophila melanogaster), myš domácí (Mus musculus) slanomilný (halofilní) extrémofil ze skupiny Archea - Halobacterium salinarum, houbu druhu Neurospora crassa z čeledi hnojenkovité, jednobuněčnou sladkovodní sinici Synechococcus elongatus a již prověřenou mořskou řasu Ostreococcus tauri. Jde tedy o zástupce různých větví stromu života. Všechny tyto zkoumané organismy – a je dobrý důvod předpokládat, že i ty ostatní, s výjimkou některých extrémofilů – mají v buňkách hojně zastoupené peroxiredoxiny, které, i když jsou rozdílné, aktivní oblasti si zachovaly téměř stejné. Biologové by řekli, že jsou evolučně zakonzervované, což je důkazem, že případné změny, způsobené například mutací v příslušné části genetického programu pro jejich syntézu, by pro jedince byly s velkou pravděpodobností nevýhodné a selekcí z populace odstraněné.
Všechny experimenty probíhaly za umělých, neměnících se podmínek - s konstantním osvětlením, nebo v úplné tmě, aby výsledky neodrážely reakce na vnější podněty a jejich změny. Přesto v buňkách zkoumaných organismů – eukaryotů i prokaryotů - peroxiredoxinové proteiny měnily cyklicky, v 12 respektive 24hodinových intervalech svůj oxidačně–redukční stav. Změnu si nelze představit jako okamžitou biochemickou reakci, jež překlopí všechny molekuly peroxinredoxinů z oxidované formy na redukovanou, nebo naopak. Jde o postupný nárůst a pokles relativního zastoupení jedné, případně druhé formy.
Autoři netvrdí, že tento mechanismus je i v současnosti hlavním pérem pohánějícím cirkadiální hodiny. Zejména u vyšších organismů se vyvinul modernější složitý, geny řízený biochemický aparát, který 24hodinové cykly řídí. Peroxiredoxinové oscilace ale pravděpodobně představují společný molekulární základ, jakousi prapůvodní složku cirkadiálního soukolí, kterou evoluce zachovává ve všech aerobních formách života již déle než 2 miliardy let, z dob, kdy fotosyntetizující sinice způsobily velkou kyslíkovou katastrofu, neboli velkou oxidační událost - Great Oxygenation Event (GOE), jak prudký nárůst obsahu atmosférického kyslíku začátkem starohor přívětivěji nazývají v anglicky mluvících zemích.
Autoři výsledky svých studií interpretují velmi přesvědčivě:
„Domníváme se, že nejpřijatelnější interpretací je, že buněčný metabolizmus u většiny prvních, navzájem si konkurujících aerobních mikroorganismů se adaptoval na pravidelné environmentální cykly v přísunu energie a míře oxidačního stresu. Předpokládáme, že ozvěny této pradávné evoluční adaptace se projevují v zachovaných oxidačních cyklech peroxiredoxinů, které nyní pozorujeme u různých organismů. To naznačuje, že během posledních 2,5 miliardy let reaktivní, kyslík obsahující molekuly (kyslíkové ionty, peroxidy) a metabolické dráhy se musely vyvíjet souběžně s buněčnými hodinami a pravděpodobně jsou vzájemně propojeny. Zdá se, že až později se do toho začlenily další, selekční výhodu skýtající buněčné mechanismy, které se v průběhu času objevily. Například u eukaryotů přínos časomíry zajišťované některými post-translačními mechanismy (např. kasein kinázou) se zachoval u mnohých různých organismů, přičemž transkripční faktory genů řídících tyto hodiny jsou výrazně odlišné, protože se vyvinuly a začlenily mnohem později.“
Zdroj: Nature