http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 79, květen 2000 273
Genetická informace autonomních forem života je uložena
v kyselině deoxyribonukleové a pouze výjimečně,
u některých virů či viroidů, v kyselině ribonukleové. Reprodukce
virů a viroidů však dnes není bez autonomních
organizmů možná. Miliardy let evoluce způsobily,
že k uložení genetické informace slouží DNA. Předpokládá
se ale, že rané formy života obsahovaly samoreplikující
se genomy tvořené molekulami RNA. Při formování
prvních genomů DNA asi hrála roli reverzní transkripce.
Tento evolučně starobylý proces se však na tvarování
eukaryotických genomů podílí dodnes. Dokládá to existence
genetických elementů – retroelementů – které k své
reprodukci používají enzym reverzní transkriptázu.
Zkopíruj a vlož...
Retroelementy jsou úseky DNA schopné vkládat své
vlastní kopie do nových poloh v genomu (obr. 1). Jde
tedy o mechanizmus „zkopíruj a vlož“, který známe
z práce s počítačem. Původní element přitom není odstraněn,
a tak se retroelementy výrazně podílejí na
zvyšování velikosti a komplexity genomů. Vedle retroelementů
existuje ještě jiný typ mobilních elementů,
transpozony, u nichž jsou meziproduktem transpozice
molekuly DNA. Transpozony používají jak mechanizmus
„zkopíruj a vlož“, tak „vyjmi a vlož“.
Řada studií dokládá, že retroelementy lze najít
u většiny druhů eukaryot a rovněž u některých prokaryot.
Byla také zjištěna zajímavá souvztažnost mezi
velikostí genomu a hojností retroelementů. Zatímco
malé genomy primitivních eukaryot, jež jsou poměrně
hustě zaplněny geny, obsahují málo retroelementů,
u větších genomů je podíl retroelementů významně
vyšší.
Evoluční úspěšnost retroelementů můžeme demonstrovat
na příkladu lidského genomu. Jeho velikost
je tři miliardy párů bází, z čehož pouhá 3 %
představují úseky DNA překládané do pořadí aminokyselin
proteinů, zatímco zbytek tvoří nekódující
sekvence DNA, regulační oblasti, a především repetitivní
sekvence. Ty jsou buď v dlouhých řadách dosahujících
často pozoruhodných délek, anebo jsou
rozptýleny po celém genomu. A právě většinu rozptýlených
repetic tvoří různé retroelementy (celkově
asi 30 % lidského genomu). Gen kódující reverzní
transkriptázu retroelementů tak se svými několika
tisíci kopiemi představuje v lidském genomu vůbec
nejhojnější sekvenci, která kóduje protein. Jsou však
známy i druhy, u nichž kolonizace retroelementy
a transpozony dosáhla ještě vyššího stupně – např.
u kukuřice je to přibližně 50 % genomu.
Rodiny retroelementů
Existuje několik základních typů retroelementů, lišících
se svou délkou, komplexitou a organizací. Nejčastěji
se dělí na autonomní, jež kódují reverzní transkriptázu
potřebnou pro retropozici, a neautonomní,
které gen pro reverzní transkriptázu nemají a musí
si ji „půjčovat“. Z určitého hlediska lze za evolučně
nejúspěšnější skupinu retroelementů považovat retroviry.
Podařilo se jim totiž opustit buňku, kde bylo
šíření omezeno jen na vertikální přenos (z rodičů na
potomky), a využívají i horizontální genetický přenos
(pohyb z genomu do genomu). Tento tok informace
mezi vzdálenými druhy představuje „kanály“ spojující
jednotlivé proudy Dawkinsovy „řeky z ráje“. Příkladem
je nedávný přenos viru HIV z divokých primátů
na člověka (viz Nature 391, 531 a 594, 1998).
Kromě genu pro reverzní transkriptázu obsahují retroviry
další dva geny pro tvorbu virové částice
a specifické regulační sekvence (dlouhé koncové repetice),
které se uplatňují při integraci retroviru do
hostitelského genomu. Z evolučního hlediska jsou
pozoruhodné i endogenní retroviry a retrovirům podobné
elementy. Retrovirům se tyto elementy podobají
nejen přítomností dlouhých koncových repeticí
(LTR), ale i dalšími sekvenčními prvky a celkovou genomovou
organizací. V genomu hostitele se však často
nacházejí silně poškozené, neúplné kopie těchto
retroelementů. Extrémním případem je přítomnost
solitérních sekvencí LTR. Některé studie dokonce naznačují,
že lidské endogenní retroviry a jejich fragmenty
představují jakési otisky pradávných retrovirových
infekcí starobylých primátů. Další skupinou
retroelementů jsou retrotranspozony, jejichž šíření
je omezeno pouze na buňku, v níž se nacházejí,
a nejsou tudíž infekční. Jejich struktura je často velmi
podobná retrovirům. Jednodušší strukturou se
vyznačují retropozony, které nemají dlouhá koncová
opakování (obr. 2).
Nejjednodušší strukturu mají neautonomní retroelementy.
Nekódují ani vlastní reverzní transkriptázu,
musí využívat reverzní transkriptázu autonomZkopíruj
a ulož
Retroelementy – specializovaní
genetičtí paraziti, nebo pozůstatky
dávného světa RNA?
EDUARD KEJNOVSKÝ
RNDr. Eduard Kejnovský, CSc., (*1966) vystudoval molekulární
biologii na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity.
V Biofyzikálním ústavu AV ČR v Brně se zabývá studiem
evoluce pohlavních chromozomů u dvoudomých rostlin.
1. Vkládání kopií retroelementů do nových poloh v genomu. Retroelement
je nejprve přepsán do RNA, která je následně přepsána reverzní
transkriptázou do komplementární DNA. Tato DNA, představující
identickou kopii původního retroelementu, je poté vložena do
nového místa v genomu.
274 VESMÍR 79, květen 2000 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
ních elementů. Často jde o úseky DNA vzniklé reverzní
transkripcí mRNA, tzv. retrogeny a retropseudogeny.
Dominantní rodinou retroelementů této
skupiny jsou u člověka a ostatních primátů Alu-elementy,
jež se svým přibližně jedním milionem kopií
o délce 280 bází představují nejhojnější sekvenci našeho
genomu (tvoří 10 % celkové DNA).
Pasažéři provázející hostitelský genom
Jakou roli hrají retroelementy v našem genomu
a v genomech jiných organizmů? Většina vědců považuje
retroelementy za vysoce specializované genetické
parazity, „replikátory“, jejichž ekologickou nikou se stal
genom hostitele, který se jim podařilo v průběhu času
více či méně úspěšně osídlit. Většinou však představují
neškodné, ale pro genom nepoužitelné pasažéry,
kteří hostitelský genom dočasně anebo trvale provázejí
na cestě prostorem a časem. Pouze v některých
případech je jejich přítomnost v genomech pro organizmus
škodlivá. Svědčí o tom řada lidských chorob,
jejichž příčinou je inzerce takového retroelementu do
některého důležitého funkčního genu či do jeho blízkosti.
Příkladem je hemofilie A,1)
neurofibromatóza,2)
či některé případy rakoviny prsu a tlustého střeva. Některé
organizmy si dokonce vyvinuly obranné systémy
chránící jejich genomy před retroelementy. Používají
k tomu různé mechanizmy, mimo jiné i možnost
selektivně vystřihnout a degradovat nežádoucí mobilní
element. Rozhodujícím obranným mechanizmem je
zřejmě metylace cytozinů nacházejících se v retrotranspozonech,
což znemožní jejich pohyb po genomu.
Ztráta kontroly nad transpozony
Nedávné studie naznačují, že metylace DNA, která
je důležitým mechanizmem regulace genové exprese
u eukaryot, se původně vyvinula právě jako nástroj
obrany organizmu proti šíření parazitických
sekvenčních elementů. Ukázalo se totiž, že drtivá
většina metylovaných cytozinů v genomové DNA se
nachází právě v mobilních elementech. Pozoruhodné
je i zjištění, že příčinou genomové nestability, charakteristické
pro nádorové buňky, je často ztráta
kontroly nad transpozony způsobená jejich demetylací.
Organizmy, které nemají metylační aparát,
jako například octomilka, jsou proto k poškození
svého genomu transpozony mimořádně citlivé.
Retroelementy prospěšné hostiteli
Retroelementy by však stěží byly evolučně úspěšné,
kdyby svému hostiteli neposkytovaly výhody. Je totiž
pozoruhodné, že si organizmy tyto sekvence zachovaly,
přestože jsou tak vysoce mutagenní. Někteří
autoři dokonce tvrdí, že se organizmy staly v průběhu
evoluce na mobilních elementech přímo závislými.
Přibývá důkazů svědčících o roli retroelementů ve
fungování a evoluci eukaryotických genomů.
Retroelementy například, podobně jako i jiné repetice,
podporují duplikaci genů v genomech, což je
důležitý proces při vývoji celých genových rodin,
v nichž mohou jednotliví členové v důsledku rozrůznění
nabývat nových funkcí. Samotný proces retrotranspozice
vede k přibývání repetic v genomu, neboť
původní element není z DNA odstraněn. Bylo
prokázáno, že některé retroelementy hrají pozitivní
úlohu také při organizaci chromozomální struktury.
Dlouhé koncové repetice (LTR), jež jsou součástí
mnoha retroelementů, představují regulační oblasti,
které mohou ovlivňovat regulaci přilehlých genů
i ve prospěch hostitele.
Pozoruhodný příklad prospěšnosti retroelementu
pro hostitelský genom byl popsán u octomilky (Drosophila
melanogaster), kdy retrotranspozony nahradily
činnost telomerázy. Telomeráza je enzym připojující
ke koncům chromozomů (telomerám) specifické
nukleotidové sekvence a zabraňuje tím zkracování
chromozomů, k němuž dochází při každé jejich replikaci
(viz Vesmír 75, 155, 1996/3). V případě octomilky
retrotranspozony převzaly tuto životně důležitou
funkci telomerázy tak, že místo ní přidávají své
kopie na konce chromozomů. O evoluční blízkosti telomerázy
a některých reverzních transkriptáz kódovaných
retroelementy svědčí i podobnost jejich
aminokyselinových sekvencí. Zatím není jasné, zda
se vyvinuly telomerázy z reverzních transkriptáz, či
naopak. Jde však o další případ toho, jak oportunisticky
pracující evoluce použila k vytvoření nové
buněčné funkce genetický materiál, který již v buňce
byl k dispozici. Možná dokonce bez ohledu na to, že
tímto genetickým materiálem byli buněční paraziti
– transpozony.
Někteří badatelé dokonce poukazují na možnost, že
některé mobilní elementy stály u zrodu imunitního systému
obratlovců. Nedílnou součástí jak tvorby imunoglobulinových
(Ig) molekul, tak diferenciace T-buněk,
zajišťujících imunitu organizmu, jsou totiž
přestavby DNA. Jejich mechanizmus je podobný retrotranspozici
retrovirů a zřejmě se vyvinul ze starobylých
mobilních elementů.
Lze to nějak využít?
Uvedené příklady měly za cíl poukázat na to, jak velký
vliv retrotranspozony měly a mají na tvarování
struktury, na funkci a evoluci eukaryotických genomů.
Některé práce naznačují, že člověk bude možná
schopen využít výhodných vlastností mobilních elementů
i k svému užitku, např. jako nástrojů k cílenému
vnášení požadovaných genů do genomů zemědělských
plodin, hospodářských zvířat anebo i do lidského
genomu při léčbě některých chorob. Prozatím si od
těchto kolonizátorů našeho genomu půjčujeme alespoň
enzym reverzní transkriptázu, používanou v mnoha
molekulárněbiologických laboratořích. ¨
1) Dědičné onemocnění charakterizované poruchou srážlivosti krve.
2) Četný výskyt neurofibromů – nezhoubných nádorů – v různých
oblastech periferních nervů; projevuje se typickými světle hnědými
skvrnami na kůži.
2. Schematická prezentace základních typů retroelementů