Vědci ocenění první dvojicí letošních prestižních medailí studovali zvláštní skupinu malých molekul RNA, které hrají klíčovou roli v regulaci genů. Zkoumali malého červa háďátko obecné (Caenorhabditis elegans). Jejich objev je však zásadní pro všechny mnohobuněčné organismy včetně člověka.
Všechny buňky v našem těle obsahují stejnou DNA. Už od pohledu se ale navzájem dost liší. Svalová buňka je jiná než nervová nebo buňka kostní dřeně. Každá plní jiný úkol. Jak je zařízeno, že tyhle různé typy vzniknou ze stejné sady genetických instrukcí? Odpověď leží mimo jiné i v microRNA, označované často také jen jako miRNA.
Přepis DNA
Různé typy buněk v našem těle se od sebe liší konkrétními typy bílkovin, které syntetizují. Například už zmíněná svalová buňka potřebuje ke své práci bílkoviny aktin a myozin. Ty se vůči sobě pohybují. V tomto pohybu spočívá princip svalového stahu.
Pro nervové buňky jsou zase charakteristické proteiny, které slouží jako receptory. Jde o jakési antény na povrchu neuronu. Sedí a čekají, až se k nim přilepí některá z malých molekul zvaných neurotransmitery. Jejich prostřednictvím si buňky předávají zprávy.
Návody na výrobu všech proteinů jsou zapsané v DNA. Její dlouhé vlákno bývá rozdělené na menší porce namotané na bílkovinové kostře. Těmto porcím se říká chromozomy. Buňka si napřed vybere, který protein zrovna potřebuje.
Pak přepíše konkrétní návod na jeho syntézu do krátkého kusu RNA, což je molekula DNA velice podobná. RNA sloužící jako vzor pro výrobu proteinu se říká mRNA. Písmenko „m“ může znamenat buď „messenger (posel)“, nebo „mediátorová“.
Zpracovává ji miniaturní strojek zvaný ribozom. Jedním koncem do něj lezou molekuly mRNA, z druhého vypadávají konkrétní proteiny. Jak si ale buňka vybírá, podle kterých kousků DNA vyrobí mRNA a následně z nich vzniknou proteiny?
Nový způsob regulace
V šedesátých letech minulého století vyšlo najevo, že popsanou funkci plní tzv. transkripční faktory. Jsou to bílkoviny, které se na DNA váží. Určují, které její úseky buňka přepíše do podoby proteinů. Biologové si tak dlouho mysleli, že problém je vyřešen. Victor Ambros a Gary Ruvkun však přišli v roce 1993 s novým dosud neznámým způsobem, jímž buňka umí zařídit stejnou věc. Oba pracovali s oblíbeným modelovým organizmem desetitisíců výzkumníků na celém světě, háďátkem obecným (Caenorhabditis elegans).
Je to drobný červ. Patří do veleúspěšné skupiny hlístic. Stavba jeho těla je ve srovnání s mnoha komplexnějšími živočichy relativně jednoduchá. Skládá zhruba z tisícovky buněk.
Ambros a Ruvkun se zajímali o úseky DNA, které mají na starosti načasování různých genetických programů během vývoje háďátka. Zajímaly je dva mutované kmeny, lin-4 a lin-14. Trpěly totiž vývojovými vadami.
Problémy způsobovaly konkrétní geny, pojmenované stejně jako kmeny háďátek. Ambros už minulosti prokázal, že gen lin-4 snižuje aktivitu genu lin-14. Nevědělo se však, jak to dělá. Výzkumník proto gen dál analyzoval.
Zrcadlový obraz
Vyšlo najevo, že podle něj vzniká krátký úsek RNA. Chyběla mu však poznávací značka, která je potřebná, aby se mohl připojit k ribozomu a posloužit jako vzor k výrobě proteinu. Znamenalo to, že musí činnost genu lin-14 měnit přímo. Logické by bylo očekávat, že lin-4 bude nějak kazit syntézu mRNA podle genu lin-14. Gary Ruvkun však prokázal, že to tak není. RNA vyrobená podle genu lin-4 vypínala až přímo syntézu vlastního proteinu.
Některé její části fungovaly jako zrcadlový obraz mRNA vyrobené za základě genu lin-14. Mohla se na ni navázat a výrobu proteinu tak zablokovat. Ambros a Rovkun si uvědomili, že se dívají na dosud neznámý způsob regulace činnosti genů.
Vědci zveřejnili své objevy ve dvou článcích v časopisu Cell. Ostatní badatele však zpočátku moc nezaujaly. Považovali je totiž za zvláštnost, která se týká jen háďátka C. elegans. V roce 2000 ale Rovkun objevil další microRNA. Vzniká podle genu jménem let-7.
Ten je na rozdíl od genu lin-4 v živočišné říši poměrně běžný. Po tomhle objevu našli biologové víc podobných genů kódujících microRNA. V současnosti je jich jen v našem vlastním genomu známo víc než tisíc. Regulace genů prostřednictvím microRNA je zřejmě v živočišné říši hojně využívaná.
Jemné ladění
Další výzkum se pak zaměřil na fungování jednotlivých genů. Nový regulační mechanizmus může jak snižovat aktivitu konkrétní mRNA v buňce, tak tuto mRNA přímo degradovat. Někdy ji dokonce stříhá na kusy. Jedna microRNA může regulovat víc genů současně. A naopak: jeden konkrétní úsek DNA může být řízen větším počtem molekul microRNA.
Buňka tak má prostředek k jemnému ladění spletité sítě vzájemných vztahů jednotlivých genů. Mechanizmus používaný k produkci microRNA se jí hodí i při obraně proti virům. Bez microRNA se buňky a tkáně nevyvíjí správně.
Studium microRNA proto souvisí i s budoucí léčbou rakoviny. Je známa třeba vzácná porucha genu DICER1, která způsobuje několik různých typů zhoubných nádorů. Vědci už objevili také mutace genů pro microRNA souvisejících se ztrátou sluchu nebo nemocemi kostí a svalů.