Geny evoluce
11. 4. 2009
Čeští vědci už zase pronikli do prestižního vědeckého časopisu Science. A jaká práce vzbudila takový ohlas? Týmu profesora Jiřího Forejta z Ústavu molekulární genetiky Akademie věd ČR se podařilo najít gen, který brání křížení příbuzných druhů. Ptáte se, proč je to tak důležité? Tento gen je totiž zřejmě klíčem k mechanizmu, který umožnil evoluci organizmů. Ta je totiž, i 150 let po Darwinovi, stále opředena tajemstvím. A právě gen, který brání, aby se příbuzné druhy křížily, je tím, co ve své podstatě umožňuje, aby jakýkoliv nový druh vůbec vzniknul. Druhy totiž vznikají tak, že se oddělí od druhu mateřského, který je velmi podobný. Kdyby takový gen neexistoval, mateřský druh by ten nově vznikající nejspíš znovu pohltil.
Milióny nejrozmanitějších forem života.
Objevily se na Zemi v průběhu miliard let a lidi fascinovaly už od pradávna.
Do tajemství života se před více než sto padesáti lety pokusil proniknout britský přírodovědec Charles Darwin. Převratnou teorii evoluce, tedy postupného vývoje živočišných a rostlinných druhů vlivem náhodných změn, představil v knize O původu druhů.
Jaké jsou však přesné mechanizmy evoluce? Vnést nové světlo do mezer v Darwinově teorii se podařilo českým vědcům. Tým z Ústavu molekulární genetiky dokázal najít a popsat funkci genu, který zabraňuje tomu, aby se blízce příbuzné druhy křížily. Článek o tomto objevu se dokonce dostal na stránky prestižního časopisu Science.
Profesor Jiří Forejt, Ústav molekulární genetiky AV ČR: Důvod, proč nám ten náš článek přijali v Science, byl v tom, že se nám podařilo vlastně jako prvním na světě identifikovat gen, který je odpovědný za reprodukční izolaci blízkých druhů a doposavad se to podařilo pouze u drozofily, u ovocné mušky, ale u vyšších organizmů toto je první příklad.
Darwinova kniha vydaná v roce 1859 vzbudila bouřlivou diskuzi nejen mezi přírodovědci, ale i filozofy a teology. Jeho hlavní hypotézy ale začali na hlubší úrovni postupně ověřovat až ve 20. století genetici a molekulární biologové. Podle Darwina se živočišné a rostlinné druhy vyvíjejí působením vnějšího přírodního prostředí. Nový druh vzniká tak, že se od původního druhu oddělí jeden nebo více druhů nových. Ty se odloučí nejdřív geograficky – například na nějakém odlehlém ostrově – a pak se izolují i reprodukčně. To znamená, že křížení s původní skupinou už není dále možné. Vzniklí kříženci buď nejsou životaschopní, nebo jsou neplodní – třeba jako potomci koní a oslů – mezci a muly. Odborně se tomu říká hybridní sterilita, tedy neplodnost kříženců.
Profesor Jiří Forejt, Ústav molekulární genetiky AV ČR: Vlastně už Darwin v té své knize věděl o tom, že existuje hybridní sterilita mezi blízkými druhy a zabýval se tím, ale nedokázal svou teorií vysvětlit, jak vzniká.
Vědci z Ústavu molekulární genetiky si už v 70. letech minulého století náhodou všimli, že pokud se pokusí zkřížit laboratorní myši s myšmi divokými, jejich potomci často nejsou schopni dalšího rozmnožování. Vědci tak brzy pochopili, že mají před sebou dva rozdílné, i když velmi blízce příbuzné myší druhy.
V Evropě se totiž vyskytuje jednak západní myš domesticus, ze které jsou vyšlechtěny myši laboratorní, a pak východní myš musculus. Oba druhy sice žijí v některých oblastech pohromadě a dokonce se i kříží, tito kříženci se ale už dál nešíří – jsou totiž neplodní. Tento mechanismus drží oba druhy oddělené. Kdyby něco takového nefungovalo, nemohl by v přírodě nikdy vzniknout žádný druh nový, protože druh mateřský – a tudíž i geneticky velmi blízký – by ho pohltil dřív, než by se stihl důkladně osamostatnit.
Profesor Jiří Forejt, Ústav molekulární genetiky AV ČR: Vlastně v té první fázi základní krok bylo, že jsme si museli uvědomit, že se jedná skutečně o hybridní sterilitu, že to není jen nějaká náhodná mutace, ale že je to mechanismus, který vlastně ty dva evropské druhy od sebe izoluje a to, když jsme si uvědomili, tak jsme vlastně už byli motivovaní jak dál pracovat a podařilo se nám to, co v tehdejší době bylo možné, to znamená přesně geneticky mapovat jeden jediný gen v myším genomu.
Vědci ale nevěděli, co přesně tento gen dělá, jakou kóduje bílkovinu a jakou má funkci. Podrobnější probádání genu, dnes nazývaného PRDM 9, umožnil na přelomu tisíciletí až rozvoj genetických a molekulárně biologických metod. Výzkum, který vědci před víc než dvěma desítkami let museli odložit, bylo nyní možné dotáhnout do konce.
Vědci nejdříve myši nakřížili a poté sledovali, které jsou plodné a které neplodné. Pak z myší odebrali genetický materiál a zkoumali, ve kterých částech se DNA plodných a neplodných myší liší. Z vytipovaných úseků se pak pokusili vybrat ten, který neplodnost skutečně způsobuje.
Slibně vypadající geny namnožili pomocí bakterií a vytvořili z nich takzvané transgeny. Ty pak vložili do DNA neplodných myší a čekali, jestli začnou být plodné. A to se skutečně podařilo právě při vložení úseku PRDM 9. V další fázi pak vědci zjišťovali, jak se neplodnost myší projevuje v pohlavních buňkách.
Zdeněk Trachtulec, Ph.D., Ústav molekulární genetiky AV ČR: Tady na obrázku můžeme vidět samčí pohlavní buňku, ve které jsou chromozomy značeny zelenou barvou, a červenou barvou je tady značen mikroskopický útvar, kterému se říká pohlavní tělísko. Pohlavní proto, že uvnitř jsou schovány pohlavní chromozomy. Tato struktura je důležitá při plodnosti a co se stává u některých druhů neplodnosti a právě také u té naší neplodnosti PRDM9, dochází k tomu, že ve spoustě buněk to pohlavní tělísko se netvoří, nemáme tady ten pohlavní útvar, ale tady ta červená barva je rozprostřena po celém jádru buňky.
Pohlavní tělísko je zodpovědné právě za tvorbu spermií. Myší samci, kteří nemají pohlavní tělísko, nemají ani žádné spermie. A jakou roli v tom hraje gen PRDM 9? Ten funguje jako jakýsi spouštěč, který v buněčném jádře aktivuje další geny, které se podílejí na tvorbě spermatických buněk. DNA je namotaná na speciálních proteinových strukturách, kterým se říká histony. Prostřednictvím genu PRDM 9 se označí histony, u kterých začíná gen, který se má přepsat. Jen takto označené geny se přepíší.
Ondřej Mihola, Ph.D., Ústav molekulární genetiky AV ČR: Tento gen instaluje značky na histony, tím předurčuje ty které geny, kde tuto značku instaluje, k transkripci, k tomu, že bude vyjádřen ten gen a tyto geny jsou právě potřebné ke zdárné tvorbě těch pohlavních buněk.
Pokud tyto značky nejsou přesně instalovány, geny se v ten správný okamžik nespustí a spermie se nevytvoří. V poslední době se ukazuje, že tento poznatek by mohl mít význam pro pochopení některých forem neplodnosti u mužů. Nedávno totiž japonští vědci zkoumali muže trpící vrozenou neplodností. V genetické výbavě některých z nich našli poruchy právě na genu, který odpovídá myšímu PRDM 9 – ano tomu, jenž způsobuje neplodnost mezidruhových kříženců.
Vědci mají proto novou motivaci pro zkoumání tohoto genu a všech mechanizmů a souvislostí, které ovlivňuje. Nejde tady už jen o samotné poznání triků, kterými si příroda pojistila zázrak jménem evoluce, ale v budoucnu možná i o léčbu tak závažného civilizačního problému, jakým je právě mužská neplodnost.
Autor: Tereza Pultarová