Moderní technologie dnes umožňují jednoduché propojení s blízkými i přáteli napříč kontinenty. Ve velkém z toho těží i vědci, kteří se mohou snadno propojit s kolegy z různých koutů světa a řešit společné výzvy. V oblasti přírodních věd tak snadno mohou sdílet know-how, přístrojové vybavení nebo přístup k obtížně dostupnému materiálu či vzorkům. Na naší Přírodovědecké fakultě Ostravské univerzity (PřF OU) je podobná spolupráce naprosto běžná. Nejnověji to můžeme doložit dvěma publikacemi, jež vznikly i díky zásadnímu příspěvku našich biologů. Ti spojili síly s výzkumnou skupinou z University of California Merced vedenou docentem Scottem W. Royem.

Bádání s žákem držitele Nobelovy ceny

Scott Roy je špičkovým odborníkem v oblasti zkoumání evoluce genomů, pravidelně publikuje v nejlepších vědeckých časopisech a může se pochlubit řadou významných studií a objevů. K úspěšné vědecké kariéře měl zřetelně nakročeno již od studentských dob, kdy se stal vůbec posledním doktorandem proslulého biochemika a molekulárního biologa Waltera Gilberta, který v roce 1980 získal Nobelovu cenou za chemii – a to za vývoj unikátní metody sekvenování DNA.

Jméno Waltera Gilberta je ovšem spojeno i s překvapivým zjištěním molekulární biologie, že geny eukaryotických organismů jsou „narušeny“ přítomností „nefunkčních“ úseků, tzv. intronů, které musejí být v průběhu molekulárních procesů zprostředkovávajících působení genů na organismus odstraněny složitým procesem zvaným sestřih (splicing). Není tedy divu, že Scott Roy převzal od svého učitele pomyslnou štafetu a dnes platí za možná největšího experta v oblasti evoluce intronů.

A právě tato problematika je předmětem první z publikací, v nichž se protnuly zájmy doktora Roye a našich pracovníků z Katedry biologie a ekologie PřF OU, zde konkrétně profesora Marka Eliáše. Výsledkem této spolupráce je článek vydaný již loni v létě v časopise Current Biology. Teď jej doplnil další článek, a opět ve významném časopise Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Tentokrát je ovšem ostravským přispěvatelem docent Jan Ševčík z naší katedry biologie a ekologie a článek se zaměřuje na zcela odlišnou problematiku, jmenovitě na evoluci bizarních způsobů nakládání s genetickým materiálem u některých živočichů.

Na počátku všeho byl nenápadný e-mail

Těmito publikacemi vyvrcholila spolupráce, jejíž kořeny sahají do roku 2016. Na počátku všeho byla přitom běžná emailová komunikace.

„Tehdy jsem dostal e-mail od Scotta Roye z USA. Pro mě to byl tenkrát neznámý člověk, který se pídil po možnosti získat biologický materiál pro svůj vysněný projekt genetického výzkumu a zkrátka zkusil štěstí. Konkrétně potřeboval jedince reprezentující skupiny dvoukřídlého hmyzu, jejichž biologií se dlouhodobě zabývám. Zrovna pobýval na stáži ve Švýcarsku a měl volnější program. Také se ukázalo, že se Scott už dříve na jedné z konferencí potkal s Markem Eliášem. Slovo dalo slovo a Scott se vypravil k nám do Ostravy. Nejen, že měl tehdy skvělou přednášku na našem Biologickém semináři, ale hlavně jsme s ním upekli spolupráci hned na dvou projektech. A jak jinak než u piva,“ usmívá se doc. Ševčík.

Nakonec se tehdy ukázalo, že můžeme Scottu Royovi nabídnout nejen ony „mouchy“, po nichž tak prahnul, ale i zajímavý podnět týkající se jeho oblíbeného tématu – evoluce intronů.

„Když se Scott Roy chystal do Ostravy, vzpomněl jsem si, že mám ‚v šuplíku‘ pozorování, které by ho mohlo zaujmout. Svého času jsem se pro účely vlastního výzkumu takříkajíc přehraboval v genomových datech z protistního organismu zvaného Physarum polycephalum (vápenatky mnohohlavé). Což je hlenka (takový žlutavý chrchel), kterou můžete najít v lese na tlejícím dřevě (viz obrázek). Hlenky jsou v mnoha aspektech své biologie opravdu prazvláštní a při mých pokusech o zkoumání struktury některých genů vápenatky mě doslova udeřila do očí jistá podivnost spjatá s přítomností intronů, které vůbec neodpovídaly učebnicové představě o tom, jak mají dobře vychované introny vypadat. Bylo jasné, že jde o něco zajímavého, ale v té době jsem neměl čas to podrobněji zkoumat. Tak jsem to předal Scottovi,“ popisuje prof. Eliáš.

Z náhody se zrodila vědecká bomba!

Reakce přišla vzápětí. „Scott mi ještě tentýž den psal, že je to naprostá bomba. Věděl přesně, jak vápenatku zkoumat a jak onu mnou odhalenou podivnost přetvořit v zajímavý biologický příběh. Pár let, i díky koronavirové pandemii, sice ještě trvalo, než se svým studentem vše propracovali a přišli s první verzí rukopisu článku, ale nakonec se dílo podařilo a výsledky téhle šťastné náhody mohou už nějaký čas oceňovat naši kolegové,“ dodává Marek Eliáš.

Pokud půjdeme do detailů tohoto objevu, dostaneme se ke zboření učebnicového paradigmatu o charakteru tzv. minoritních intronů. Tedy takových elementů genomu, které sice jsou součástí genů, ale spolu s „hostitelským“ genem jsou přepisovány (transkribovány) do molekuly RNA, z níž jsou posléze procesem sestřihu (splicingu) odstraňovány – v důsledku čehož, tak nejsou součástí finálního RNA produktu genu (viz obrázek). „V principu jsou introny ‚sobecké‘ parazitické elementy, jacísi černí pasažéři genomu i když známe příklady jejich ‚ochočení‘ třeba pro účely regulace funkce genů. Rozlišujeme několik odlišných typů intronů, přičemž jedním z nich jsou minoritní neboli U12-dependentní introny, které se v jednotkách stovek na genom vyskytují jen u některých eukaryotických organismů. Pro srovnání: třeba lidský genom jich obsahuje zhruba 700 – a to už je nějaké číslo, zatímco tzv. majoritní neboli U2-dependentní introny mohou dosahovat počtů stovek tisíc na genom,“ přibližuje Marek Eliáš.

V genomu zmíněné vápenatky podle zjištění amerických kolegů najdeme přinejmenším 20 tisíc minoritních intronů, které navíc vykazují některé neobvyklé rysy. „V evoluční linii hlenek se zkrátka přihodilo něco, díky čemuž se minoritní introny ‚urvaly z řetězu‘ a začaly se masivně šířit po ‚hostitelském‘ genomu. Tato nečekaná evoluční ‚exploze‘ minoritních intronů u vápenatky tak poskytuje důležitý vhled do procesů, jimiž se introny šíří a díky nimž tak úspěšně ‚kolonizovaly‘ eukaryotické genomy,“ oceňuje objev Marek Eliáš.

Mezikontinentální spolupráce přináší ovoce

Druhý článek vzešlý ze spolupráce našich biologů s doktorem Royem se zabývá zcela odlišným fenoménem. „Obecně panuje představa, že organismy střeží svoji DNA jako oko v hlavě a všemožně se ji snaží uchránit jakýchkoliv poškození a změn, ale v některých případech se dokážou ke svému genomu chovat vyloženě surově. U řady živočichů tak například dochází k tomu, že tělní buňky aktivně rozbíjejí své chromozomy na kousky a mnohé části degradují. Někdy se přitom dokonce zbavují celé chromozomální sady zděděné od jednoho z rodičů. Specifickým případem je fenomén anglicky zvaný germline-specific paternal genome elimination (gPGE), který je znám u několika skupin hmyzu a při němž dochází k tomu, že v průběhu vývoje spermií u samců dochází k eliminaci chromozomů zděděných od otce. Samci tedy prostřednictvím svých spermií do další generace přenášejí jen geny zděděné od matky (bez ohledu na genderovou nerovnost),“ naznačuje Jan Ševčík.

V minulosti byly předloženy dvě hlavní konkurenční hypotézy, proč se taková genetická podivnost vyvinula, a to dokonce nezávisle na sobě u různých skupin organismů. Dnešní metody analýzy genomů umožňují vědcům tyto hypotézy testovat, přičemž je pro ně klíčové dostat se k příslušnému biologickému materiálu. „Shodou okolností se fenomén gPGE vyskytuje i u dvou čeledí dvoukřídlých, jimiž se dlouhodobě zabývám, u bejlomorek (Cecidomyiidae) a smutnic (Sciaridae),  takže pro mě nebyl problém Scottu Royovi ty ‚mouchy‘ nachytat. Ten pak už přesně věděl, po čem jít – no a je z toho zásadní studie v oblasti evoluční genomiky. A zdá se, že nebude poslední. Před pár týdny jsem se vrátil ze skotského Edinburghu, kde jsme pokračovali v podobných studiích se dvěma spoluautory našeho článku v PNAS, a to doktorem Kamilem Jaroněm, který mimochodem pochází z Bohumína a od září povede genomickou laboratoř v Cambridge, a s vedoucí tamní skupiny dr. Laurou Ross. Ale o tom zase někdy příště,“ slibuje Ševčík.

„Boj“ mezi geny v genomu

Pokud se budeme zajímat o detaily objevu mezinárodního týmu vedeného doktorem Royem, zjistíme, že výsledky jejich výzkumu jasně podpořily jedno ze dvou nabízených vysvětlení pro vznik fenoménu gPGE – a to tzv. Intragenomic Conflict Hypothesis. Ta, zjednodušeně řečeno, předpokládá, že jde o důsledek evolučních her, kdy mezi sebou „bojují“ jednotlivé geny v genomu.

„Vlastně se dá říct, že jde o ukázkový případ působení ‚sobeckých‘ genů, které se ne vždy tak úplně starají o blaho svých ‚hostitelů‘, v nichž se nacházejí, ale nejrůznějšími prostředky sledují svůj vlastní cíl, tedy maximalizovat svůj reprodukční úspěch. Pozoruhodné je, že jde o obdobný motiv, s jakým jsme se setkali také v případě intronů,“ uzavírá doc. Ševčík.

Oba články našich biologů se Scottem W. Royem (na obrázku druhý zprava) tak otevírají mnohými stále ještě nedoceněnou stránku evoluce – vedle Darwinovského „boje o existenci“ organismů samotných totiž podobu přírody modeluje také neutuchající boj „sobeckých“ genetických elementů o prosazení se ve světě.