Túto administratívu potrebuje dcérska bunka na to, aby vybudovala fungujúci systém. A mnohé z výkonných inštrukcií administratívy sú zakódované v častiach DNA, ktoré boli dlho pokladané za odpad.
Keď hovoríme o odpade, myslíme tým viac ako 98 percent ľudskej DNA, ktoré nekódujú nijaké rozpoznané inštrukcie. Na intepretáciu tohto odpadu máme dve možnosti: buď sú tieto časti genómov vyšších organizmov nefukčné a z neznámej príčiny sú bunkami udržiavané, alebo sú v nich informácie, ktoré sme sa ešte nenaučili čítať, teda pripísať im nejakú funkciu v spravovaní bunky.
.genomické haraburdie
Toto genomické haraburdie sa ukázalo ako zaujímavá zbierka evolučných starín a nových funkčných informácií. Inými slovami povedané: pomedzi známe state sú poprepletané inštrukcie v inom jazyku.
Medzi prvými boli rozpoznané mobilné genomické elementy – kusy DNA príbuzné niektorým vírusom, ktoré sa počas evolúcie presúvali alebo kopírovali z jednej časti genómu do druhej. Tvoria až tridsať percent nášho genómu a v súčasnosti sa pokladajú za evolučné relikty, čiže časti, ktoré len okrajovo vplývajú na chod bunky.
A čo zvyšok genómu? Odpad, starina, alebo sú v ňom zakódované inštrukcie v inom jazyku? Prvé náznaky toho, že veľká väčšina nášho genómu sa na niečo používa, prišli v ostatných rokoch, keď sa zistilo, že jeho veľká časť sa prepisuje.
Prepisovanie (alebo transkripcia) je prvý krok pri vykonávaní genetických inštrukcií a na molekulárnej úrovni zodpovedá prepisu DNA do RNA. Tieto molekuly sú chemicky príbuzné, ale dostatočne odlišné na to, aby DNA bola určená na archivárstvo a RNA na výkon.
Možno to znie banálne, ale v bunke to znamená, že ak je daná stať ústavy (genóm) predurčená na výkon, takmer určite má vplyv na celý organizmus. Keď sa teda zistilo, že veľká časť genómu sa prepisuje, naznačilo to, že mnohé časti, ktoré boli pokladané za odpad, v skutočnosti obsahujú výkonné inštrukcie, ktoré určujú, kam má daná RNA molekula ísť a čo má robiť.
Veľká časť genetickej informácie človeka je určená na monitorovanie a reguláciu stavu bunky. Práve tie funkcie sa čoraz častejšie objavujú v „odpadových“ častiach nášho genómu. Akoby tie časti bunkovej ústavy, napísané v cudzom jazyku, obsahovali najmä state o tom, ako citlivejšie a dôkladnejšie regulovať všetky procesy, ktoré v bunke prebiehajú, od získavania energie z potravy po boj s vírusmi a určovanie pohlavia jedinca.
Ako to, že nám tie informácie ušli? Čo je to za jazyk, ktorý potrebujeme poznať, aby sme lepšie rozumeli bunkovej ústave? Jedna odpoveď je skrytá priamo v RNA.
.svet RNA
RNA, ribonukleové kyseliny, sú z pohľadu funkcie ozajstní chameleóni buniek. Môžu totiž slúžiť na prenos informácie, a vtedy sú jednoducho pasívnymi prepravcami genetických inštrukcií. Ale dokážu sa aj poskladať do konkrétnych trojrozmerných tvarov a zaujať pozíciu výkonu moci. V takom prípade dokážu katalyzovať chemické reakcie, regulovať stav bunky alebo zapájať sa do boja proti vírusom.
To, že RNA je informačnou molekulou, teda že dokáže prenášať genetickú informáciu a zároveň sa poskladať do chemicky aktívneho tvaru, objavili začiatkom osemdesiatych rokov Thomas Cech z Coloradskej univerzity a Sidney Altman z univerzity Yale (v roku 1989 dostali za tento objav Nobelovu cenu). Minulý rok bola Nobelova cena za chémiu udelená za nájdenie štruktúry ribozómu, obrovského komplexu molekúl, ktorých jadro tvorí poskladaná RNA. Práve ten komplex molekúl hrá kľúčovú úlohu pri tvorbe proteínov.
RNA molekuly teda nielen prenášajú informáciu, podľa ktorej sa vyrábajú proteíny, ale sú dokonca priamo zodpovedné za chemickú prípravu proteínov. Táto schopnosť, byť zároveň archívom aj archivárom, tvorí základ hypotézy, že prapôvodná biosféra na Zemi pozostávala prevažne z molekúl RNA, ktoré mali schopnosť získavať energiu z okolia, kopírovať sa a pomocou zriedkavých mutácií sa ďalej vyvíjať a adoptovať.
Podľa tejto hypotézy sveta RNA (anglicky „RNA World“) by teda jednotlivé prabunky, akési RNA štáty, mali pozostávať prevažne z RNA molekúl. Tento svet v nejakom bode objavil chemickú užitočnosť proteínov, naučil sa ich kódovať a postupne na ne prenechal väčšinu exekutívy. Skôr alebo neskôr musel objaviť stabilitu DNA, ktorá je v porovnaní s RNA ako ústava vytesaná do skaly na rozdiel od popísaného pergamenu a prenechal archívovanie na ňu, čo viedlo k molekulárnej biológii, ako ju poznáme u súčasných živočíchov.
.učíme sa nový jazyk
Informácia o RNA molekulách sa v genóme hľadá ťažšie ako informácia o proteínoch. U proteínov je pomerne ľahké rozpoznať, kde sa ich zápis v bunkovej ústave začína a končí. Navyše, DNA sekvencie kódujúce proteíny s rovnakou funkciou v rôznych organizmoch sa navzájom veľmi podobajú, preto sa dá funkcia niektorých častí genómu ľahko uhádnuť porovnaním genómov príbuzných organizmov.
Na druhej strane, informácie o tom, kde sú zakódované funkčné RNA molekuly, sa získavajú ťažšie a vyžadujú znalosť iného jazyka. U RNA molekúl totiž neplatí, že rôzne DNA sekvencie nutne kódujú rôzne štruktúry: existuje množstvo synonymických spôsobov, ako zapísať takú istú funkciu.
Ako príklad uveďme jeden ribozým (teda RNA enzým), katalytickú RNA molekulu, ktorá bola prvýkrát objavená vo víruse spojenom s ľudskou hepatitídou (HDV) pred viac ako dvadsiatimi rokmi. Podobná molekula, čo sa týka jej DNA sekvencie, nebola nájdená v žiadnom inom víruse ani bunkovom organizme. Všetko nasvedčovalo tomu, že je to biologický unikát, špecifický práve pre tento jeden vírus.
V roku 2006 však laboratórium Jacka Szostaka v Bostone – ktorý minulý rok dostal Nobelovu cenu za spoluobjavenie telomér – oznámilo, že ribozým s rovnakou štruktúrou a biochemickými vlastnosťami, ale podstatne odlišnou sekvenciou v DNA, bol objavený v ľudskom genóme a zároveň v genómoch všetkých ostatných cicavcov. Jeho sekvencia sa zachovala, až na niekoľko malých zmien, počas vývoja cicavcov, ale tam sa stopa skončila. Genómy iných organizmov už túto sekvenciu neukrývajú.
Ale napriek tomu ukrývajú taký istý ribozým. Keď sa vedci naučili nový jazyk, podľa ktorého vedeli čítať genómy rôznych organizmov a hladať v nich štruktúru tohto ribozýmu, zistili, že sa nachádza v obrovskom počte živočíchov. Vo všetkých má tú istú biochemickú funkciu a štruktúru, ale nie sekvenciu. Ukázalo sa tiež, že v afrických komároch, ktoré prenášajú maláriu, je jeho aktivita zrejme regulovaná v závislosti od vývojového štádia.
Jazyk, ktorý bol potrebný na objavenie týchto ribozýmov, bol založený na predstavivosti a na pochopení základných vlastností funkčných RNA molekúl. Je veľmi pravdepodobné, že sa s jeho pomocou podarí opísať funkciu ďalších častí genómov a postupne sa bude dať prepracovať k hlbšiemu pochopeniu bunkovej ústavy a objaveniu jej kľúčových častí, ktoré ďalej pomôžu navrhnúť lepšie lieky. U malárie to možno bude liek založený na brzdení molekulárneho chameleóna.
Autor je biochemik
Keď hovoríme o odpade, myslíme tým viac ako 98 percent ľudskej DNA, ktoré nekódujú nijaké rozpoznané inštrukcie. Na intepretáciu tohto odpadu máme dve možnosti: buď sú tieto časti genómov vyšších organizmov nefukčné a z neznámej príčiny sú bunkami udržiavané, alebo sú v nich informácie, ktoré sme sa ešte nenaučili čítať, teda pripísať im nejakú funkciu v spravovaní bunky.
.genomické haraburdie
Toto genomické haraburdie sa ukázalo ako zaujímavá zbierka evolučných starín a nových funkčných informácií. Inými slovami povedané: pomedzi známe state sú poprepletané inštrukcie v inom jazyku.
Medzi prvými boli rozpoznané mobilné genomické elementy – kusy DNA príbuzné niektorým vírusom, ktoré sa počas evolúcie presúvali alebo kopírovali z jednej časti genómu do druhej. Tvoria až tridsať percent nášho genómu a v súčasnosti sa pokladajú za evolučné relikty, čiže časti, ktoré len okrajovo vplývajú na chod bunky.
A čo zvyšok genómu? Odpad, starina, alebo sú v ňom zakódované inštrukcie v inom jazyku? Prvé náznaky toho, že veľká väčšina nášho genómu sa na niečo používa, prišli v ostatných rokoch, keď sa zistilo, že jeho veľká časť sa prepisuje.
Prepisovanie (alebo transkripcia) je prvý krok pri vykonávaní genetických inštrukcií a na molekulárnej úrovni zodpovedá prepisu DNA do RNA. Tieto molekuly sú chemicky príbuzné, ale dostatočne odlišné na to, aby DNA bola určená na archivárstvo a RNA na výkon.
Možno to znie banálne, ale v bunke to znamená, že ak je daná stať ústavy (genóm) predurčená na výkon, takmer určite má vplyv na celý organizmus. Keď sa teda zistilo, že veľká časť genómu sa prepisuje, naznačilo to, že mnohé časti, ktoré boli pokladané za odpad, v skutočnosti obsahujú výkonné inštrukcie, ktoré určujú, kam má daná RNA molekula ísť a čo má robiť.
Veľká časť genetickej informácie človeka je určená na monitorovanie a reguláciu stavu bunky. Práve tie funkcie sa čoraz častejšie objavujú v „odpadových“ častiach nášho genómu. Akoby tie časti bunkovej ústavy, napísané v cudzom jazyku, obsahovali najmä state o tom, ako citlivejšie a dôkladnejšie regulovať všetky procesy, ktoré v bunke prebiehajú, od získavania energie z potravy po boj s vírusmi a určovanie pohlavia jedinca.
Ako to, že nám tie informácie ušli? Čo je to za jazyk, ktorý potrebujeme poznať, aby sme lepšie rozumeli bunkovej ústave? Jedna odpoveď je skrytá priamo v RNA.
.svet RNA
RNA, ribonukleové kyseliny, sú z pohľadu funkcie ozajstní chameleóni buniek. Môžu totiž slúžiť na prenos informácie, a vtedy sú jednoducho pasívnymi prepravcami genetických inštrukcií. Ale dokážu sa aj poskladať do konkrétnych trojrozmerných tvarov a zaujať pozíciu výkonu moci. V takom prípade dokážu katalyzovať chemické reakcie, regulovať stav bunky alebo zapájať sa do boja proti vírusom.
To, že RNA je informačnou molekulou, teda že dokáže prenášať genetickú informáciu a zároveň sa poskladať do chemicky aktívneho tvaru, objavili začiatkom osemdesiatych rokov Thomas Cech z Coloradskej univerzity a Sidney Altman z univerzity Yale (v roku 1989 dostali za tento objav Nobelovu cenu). Minulý rok bola Nobelova cena za chémiu udelená za nájdenie štruktúry ribozómu, obrovského komplexu molekúl, ktorých jadro tvorí poskladaná RNA. Práve ten komplex molekúl hrá kľúčovú úlohu pri tvorbe proteínov.
RNA molekuly teda nielen prenášajú informáciu, podľa ktorej sa vyrábajú proteíny, ale sú dokonca priamo zodpovedné za chemickú prípravu proteínov. Táto schopnosť, byť zároveň archívom aj archivárom, tvorí základ hypotézy, že prapôvodná biosféra na Zemi pozostávala prevažne z molekúl RNA, ktoré mali schopnosť získavať energiu z okolia, kopírovať sa a pomocou zriedkavých mutácií sa ďalej vyvíjať a adoptovať.
Podľa tejto hypotézy sveta RNA (anglicky „RNA World“) by teda jednotlivé prabunky, akési RNA štáty, mali pozostávať prevažne z RNA molekúl. Tento svet v nejakom bode objavil chemickú užitočnosť proteínov, naučil sa ich kódovať a postupne na ne prenechal väčšinu exekutívy. Skôr alebo neskôr musel objaviť stabilitu DNA, ktorá je v porovnaní s RNA ako ústava vytesaná do skaly na rozdiel od popísaného pergamenu a prenechal archívovanie na ňu, čo viedlo k molekulárnej biológii, ako ju poznáme u súčasných živočíchov.
.učíme sa nový jazyk
Informácia o RNA molekulách sa v genóme hľadá ťažšie ako informácia o proteínoch. U proteínov je pomerne ľahké rozpoznať, kde sa ich zápis v bunkovej ústave začína a končí. Navyše, DNA sekvencie kódujúce proteíny s rovnakou funkciou v rôznych organizmoch sa navzájom veľmi podobajú, preto sa dá funkcia niektorých častí genómu ľahko uhádnuť porovnaním genómov príbuzných organizmov.
Na druhej strane, informácie o tom, kde sú zakódované funkčné RNA molekuly, sa získavajú ťažšie a vyžadujú znalosť iného jazyka. U RNA molekúl totiž neplatí, že rôzne DNA sekvencie nutne kódujú rôzne štruktúry: existuje množstvo synonymických spôsobov, ako zapísať takú istú funkciu.
Ako príklad uveďme jeden ribozým (teda RNA enzým), katalytickú RNA molekulu, ktorá bola prvýkrát objavená vo víruse spojenom s ľudskou hepatitídou (HDV) pred viac ako dvadsiatimi rokmi. Podobná molekula, čo sa týka jej DNA sekvencie, nebola nájdená v žiadnom inom víruse ani bunkovom organizme. Všetko nasvedčovalo tomu, že je to biologický unikát, špecifický práve pre tento jeden vírus.
V roku 2006 však laboratórium Jacka Szostaka v Bostone – ktorý minulý rok dostal Nobelovu cenu za spoluobjavenie telomér – oznámilo, že ribozým s rovnakou štruktúrou a biochemickými vlastnosťami, ale podstatne odlišnou sekvenciou v DNA, bol objavený v ľudskom genóme a zároveň v genómoch všetkých ostatných cicavcov. Jeho sekvencia sa zachovala, až na niekoľko malých zmien, počas vývoja cicavcov, ale tam sa stopa skončila. Genómy iných organizmov už túto sekvenciu neukrývajú.
Ale napriek tomu ukrývajú taký istý ribozým. Keď sa vedci naučili nový jazyk, podľa ktorého vedeli čítať genómy rôznych organizmov a hladať v nich štruktúru tohto ribozýmu, zistili, že sa nachádza v obrovskom počte živočíchov. Vo všetkých má tú istú biochemickú funkciu a štruktúru, ale nie sekvenciu. Ukázalo sa tiež, že v afrických komároch, ktoré prenášajú maláriu, je jeho aktivita zrejme regulovaná v závislosti od vývojového štádia.
Jazyk, ktorý bol potrebný na objavenie týchto ribozýmov, bol založený na predstavivosti a na pochopení základných vlastností funkčných RNA molekúl. Je veľmi pravdepodobné, že sa s jeho pomocou podarí opísať funkciu ďalších častí genómov a postupne sa bude dať prepracovať k hlbšiemu pochopeniu bunkovej ústavy a objaveniu jej kľúčových častí, ktoré ďalej pomôžu navrhnúť lepšie lieky. U malárie to možno bude liek založený na brzdení molekulárneho chameleóna.
Autor je biochemik
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.