David Baltimore (vlevo). Od roku 1975 nositel Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství, za objevy týkající se interakce mezi nádorovými viry a genetickým materiálem buňky.  (Foto je 70. let 20. století. Autor neznámý, volné dílo). Howard Temin (vpravo) průkopník v poznání funkce reverzní transkriptázy, rovněž nositel Nobelovy ceny za fyziologii (1975). Kredit: University of Wisconsin.

Na otázku: „Jak vzniká nová DNA?“ jsme si po desetiletí odpovídali tak, že slouží sama sobě jako předloha pro svou syntézu. Dvojitá šroubovice se nejprve rozepne do dvou samostatných vláken, což si můžeme pro názornost představit jako rozepnutí zipu.

Jan Svoboda - česká stopa na objevu reverzní transkriptázy. Foto: Martin Kovář, Wikipedie, CC BY-SA 3.0

Ke každému jednoduchému vláknu pak buňka dosyntetizuje druhé vlákno. Má to celkem snadné, protože tam, kde je na jednom vláknu DNA písmeno genetického kódu adenin, musí být na druhém tymin, a když se jinde nachází písmeno cytosin, jeho protějškem musí být guanin.

V kostce řečeno: Na začátku je jedna dvojitá šroubovice, ta se promění na dvě jednoduché šroubovice a z těch pak vzniknou dvě dvoušroubovice.

Jenifer Doudna a Emmanuelle Charpentier dostaly prestižní vědecké ocenění za to, že v roce 2012 rozpoutaly genetickou revoluci. Jenifer Doudna (vlevo). Kredit: Duncan.Hull , Wikipedia, CC BY-SA 4.0. Emmanuelle Charpentier (vpravo). Kredit: Carries mum, Wikipedia, CC BY-SA 4.0

Nikdo si asi ani neuměl představit něco jiného. A pokud by s tím přeci jen nějaký bloud přišel, asi by mu kolegové doporučili návštěvu psychiatra. S tím je ale konec.

Poprvé se tohle základní dogma poněkud otřáslo, když vědci objevili reverzní transkriptázu – enzym, který umí syntetizovat DNA podle předlohy v podobě jednoduché šroubovice kyseliny ribonukleové (RNA). Tenhle objev byl ve své době naprostá „pecka“ a jeho autoři David Baltimore a Howard Temin si za něj v roce 1975 jeli do Stockholmu pro Nobelovu cenu. Oba se netajili tím, že pro ně byly velkou inspirací práce českého virologa Jana Svobody.

Česká stopa na nástroji genového inženýrství v podobě Martina Jínka. Na snímku se svým genovým editorem. Kredit: Ivan Valíček, klub přátel Švýcarska.

Nový objev týmu vedeného Alexem Gao ze Stanford University je ale přeci jen trochu jiná káva. Reverzní transkriptáza stále využívá „párování“ písmen genetického kódu. Nová studie ukazuje, že místo písmen genetického kódu čili bází mohou zaskočit aminokyseliny. A to je šok!

Alex Gao: „Bakteriální enzym, který syntetizuje DNA bez templátu nukleové kyseliny. Jako vodítko používá svou vlastní strukturu“. Kredit: Stanford University.

DRT3 – záhadná imunita bakterií

Gao a jeho kolegové studovali „imunitní systém“, jehož prostřednictvím se bakterie brání svým „predátorům“ – virům ze skupiny bakteriofágů. Zajímal je systém DRT3, který umí s bakteriofágy zatočit jakýmsi záhadným trikem. Zjistili, že bakterie při boji s bakteriofágem syntetizuje dvojité šroubovice DNA a využívá k tomu dvě reverzní transkriptázy.

Jedna transkriptáza to dělá klasickým způsobem, který popsali Baltimore a Temin. Druhá se ale dopouští něčeho naprosto šíleného. K syntéze nové dvojité šroubovice nepotřebuje ani „rozepnutou“ DNA ani jednoduchou šroubovici RNA.

Podstata zpochybnění ústředního dogma genetického kódu: V nově objeveném bakteriálním obranném systému jsou spárované řetězce DNA (oranžové a azurové) syntetizovány dvěma enzymy: Jeden (žlutý) používá templát RNA (béžový) k vedení sestavení nukleotidových bází, které tvoří DNA, zatímco druhý, velmi neobvyklý enzym (světle modrý), používá jako templát své vlastní aminokyseliny. Kredit: Hyunbin Lee.

Vystačí si s aminokyselinami. „Přečte“ je podobně jako kdyby to byla písmena genetického kódu, k nimž je třeba přiřadit jejich správné protějšky.

Ani tento objev však neobjasnil záhadu likvidace bakteriofágů systémem DRT3. Gao předpokládá, že nově vzniklá DNA se v bakteriální buňce „nalepí“ na jednotlivé komponenty bakteriofága a tím ho zneškodní.

Autoři studie připomínají, že systém DRT3 je mezi bakteriemi celkem hojný. Překvapivý způsob syntézy nové DNA tedy nepředstavuje výjimečnou kuriozitu.

K čemu je to dobré?

Imunitní systém bakterií a archeí už byl inspirací pro jeden veleúspěšný nástroj genového inženýrství – pro CRISPR. Ten byl objeven v roce 2012 a Nobelova cena se za něj udělovala v roce 2020. Pobraly ji Emmanuelle Charpentier a Jennifer Doudna. Lví podíl na objevu měl ale i český vědec Martin Jínek.

DRT3 se nabízí jako další skvělý nástroj molekulární genetiky. Je to „mašinka“ na výrobu DNA o přesně určeném pořadí písmen genetického kódu. Teď je zapotřebí „jen“ rozluštit, jak DRT3 kóduje pomocí aminokyselin pořadí bází v nově syntetizované molekule DNA. Není pochyb, že při tomhle dešifrování vydatně pomůže umělá inteligence.

Objev Alexe Gao a jeho spolupracovníků je významný ještě z jiného důvodu. Ukazuje, jak málo máme prozkoumané i procesy, které považujeme za dokonale poznané a pro další bádání krajně nezajímavé. Drtivá většina vědců by si šťourat do základních dogmat genetiky netroufla. Buďme vděční těm, kteří to risknou.

Pramen:

DENG P. et al.: Protein-templated synthesis of dinucleotide repeat DNA by an antiphage reverse transcriptase. Science, DOI: 10.1126/science.aed165

Redakce si dovolila připojit autorovo video: "Geny přenášíme 3-4 generace“.