Tomoko M. Tabuchi, první autorka publikace. University of California, Santa Cruz.

Dnešní pojednání bude o vlastnostech, které nejsou zapsány v genech. Protože nejde o geny (tedy sekvence nukleotidů), nemůžeme od těchto vlastností čekat, že by se chovaly podle Mendelových pravidel. Problém je v tom, že se dědí a tak do genetiky patří. Co teď s tím? Vše vyřešilo až zavedení zvláštní oblasti genetiky, které se poněkud nekorektně přezdívá špinavá genetika. Správně ale jde o epigenetiku.

Jak už to tak u nových vědních oborů bývá zvykem, moc se toho neví a platí to i pro takto předávané vlastnosti. Zvláště pokud jde o úlohu samčího pohlaví. Podstatou epigenetiky jsou substance, které se na vlákno DNA obsahující informace nalepí. Když jde o lokalitu regulující důležitý gen, dokáží epigenetické značky dělat divy. Mechanismus, kterým epigenetika pracuje, se připodobňuje k šále, kterou si bereme, když je venku počasí pod psa. Podobně lze zahalit i geny. Ty se pak stávají pro čtecí mechanismus a přepis informace hůře čitelné a gen, respektive to, co má pod palcem, se tím přibrzdí.

Seznamte se: Caenorhabditis elegans, nástroj molekulární a vývojové biologie. (Kredit: Bob Goldstein, UNC Chapel Hill)

Když se před časem v rámci projektu HUGO četl lidský genom, dostávali jsme za investované tři miliardy dolarů jednoduché výsledky. Byla jimi sekvence nukleotidů. Vše bylo jednoznačné: „ano/ne“. Například adenin v dané pozici DNA byl, nebo nebyl. Při čtení epigenomu je situace naprosto odlišná. Už nejde o ano/ne, ale o to „jak moc ano“ a nebo „jak moc ne“.  Vrátíme-li se k našemu připodobnění s šálou, tak tu můžeme mít omotanou okolo krku jen lehce, takže nám nebrání v mluvení. Je nám jen o něco hůř rozumět. Lze ji ale omotat tak, že jsou vidět jen oči. Pak už mluvit nejde, ale stále ještě lze z očí vyčíst alespoň úsměv na znamení souhlasu. U genů to je podobné a podle toho vypadá pak útlum jejich produkce. Omotání značkami (metylovými skupinami) ale může nabýt takové důslednosti, že se šála změní v burku. Gen se v takovém případě stává naprosto nečitelným. Genetik s klasickým vzděláním ze svých výsledků při čtení genomu nabude přesvědčení, že je vše v pořádku, neboť sekvence písmen v DNA je správná a gen není poškozen mutací. Gen podle něj bude dělat vše, co má v náplni práce. Když tomu tak není, začne dávat vinu laborantce, chemikáliím, sekvenátoru,… Epigenetik už dnes může přijít na to, v čem je zakopaný pes. I když je gen teoreticky bez vady, mohl být obtěžkán metylovými skupinami a umlčen.

Imprinting

Ne vždy je umlčování ku škodě. Příkladem je jev, kterému se říká imprinting (česky vtištění). V podstatě se jedná o to, že si gen pamatuje, zda „přišel“ od tatínka, nebo od maminky. K čemu to je dobré? Každý otec by chtěl mít silného a velkého syna, aby všechny přepral, zjednal si respekt a měl se v životě dobře. Jenže se někdy tatínek zakouká do maminky, která je štíhlá jako laňka. Kdyby maminka dala průchod přání tatínkovým genům, potomek by už v děloze narostl tak, že by neprošel porodními cestami a oba by to stálo život. Proto si několik stovek genů „pamatuje“, zda jsou od tatínka, nebo maminky a ty, které se zrovna nehodí, jsou epigeneticky uspány. Pravda, někdy se to zvrtne a tatínkovy geny se s těmi maminčinými začnou hádat. Do tak neuspořádaných poměrů se pak potomek raději ani nenarodí.

Není divu, že háďátka jsou oblíbeným modelovým organismem. Přežila i havárii raketoplánu Colubmbia. (Kredit: Bob Goldstein, UNC Chapel Hill).

U epigenetiky ale nejde jen o umlčování tatínkových genů. Ukázalo se, že když maminka žije v prostředí, které je stresující, třeba kvůli  přítomnosti predátorů, tak epigenetika taky umí zaúřadovat. Epigenetickými značkami obdařenými geny svého vajíčka pak potomkovi předá upravené geny (schopnosti dané hladinami hormonů), které mu jsou ku prospěchu v situacích „bojuj, nebo uteč“.

Vajíčko a spermie

Většího hmotnostního rozdílu na tělech savců nenajdeme. Lidské vajíčko je například  85 000krát větší než spermie. V porovnání s vajíčkem jsou tak trochu „bezcenné“, a tak i příroda si s nimi moc hlavu neláme. Ani nemůže, protože na každý „výstřel“ jich v našem případě rozséváme milion až několik set milionů. Na takové plýtvání se hodí přirovnání k obrovskému počtu miniponorek, které se nechávají plavit přes Pacifik jen proto, aby do San Franciska doručily pizzu. Nic víc, než malý uzlíček DNA, který má spustí proces, po němž se velkoměsto začne rozrůstat do velikosti zeměkoule.

Velikostní přirovnání jsme neuvedli jen tak. Je ospravedlněním panující skepse. Skepse plynoucí z pochybností, že by se do uzlíčku s vrtícím se bičíkem na konci, napěchovaným k prasknutí molekulami DNA, někam ještě dala vecpat další přidaná informační hodnota. Na spermie jsme dlouho pohlíželi jen jako na nosiče, které mají za úkol dopravit ve správný čas na správné místo  otcovský jaderný genom a zažehnout zázrak nového života. S nástupem vědního oboru zvaného epigenetika si musíme takovou  představu opravit. Spermie přispívají k oplození mnohem sofistikovaněji. Nejen, že přispívají dědičnou informací od tatínka, ale upravují ji do zcela specifického stavu. Spolu s geny nesou spermie i to, co nám často při objednávce zboží přes internet nepřiloží - návod, jak to co je v balíčku správně používat. Epigenetické úpravy mají dopad aktivitu celé řady genů a tím i připravenost potomstva ve víru života uspět.

Otcové přispívají ke správnému vývoji svých potomků nejen předáním genů, ale i přiložením návodu, jak je používat. Některá z těchto poučení jsou odrazem toho, čím jsme si prošli. Tedy jakýmisi „zkušenostmi“, nebo chcete-li „vzpomínkami“.

Luštění epigenetických značek

Jak jsme si již řekli, tak čtení genů v klasické genetice je jednoduché. Dnes to zvládnou i automaty. Výsledkem takového čtení je dlouhatánská věta, která má u lidí přes tři miliardy písmen a vypadá například takto: agcttgtcgaacctctaacttcttcacacgg.... Písmeny v genetické abecedě jsou nukleotidy adenin, guanin, cytosin a tymin. Epigenetické značky s uvedenou sekvencí nemají nic společného. Při čtení epigenomu se zjišťují malé chemické změny na chromatinu. Například připojení acetylových skupin k histonům (proteinům tvořícím podpůrnou strukturu vlákna DNA). Zatímco acetylace zesiluje transkripci (šlápne genům na plyn), navázání metylových skupin (metylace) na regulační oblast DNA genovou transkripci brzdí.

Roli pošťáka v doručování těchto dodatečných a k genům nadstavbových informací hrají jak vajíčka, tak i spermie.

Na odhalování tajů epigenetiky se člověk moc nehodí. Má dlouhý generační interval a ani na věrohodnost dat uvedených v rodném listě se nedá moc spolehnout. Proto se k pokusům využívají modelové organismy. Většinou myši, neboť mají pět vrhů do roka, a když  klece mají dostatečně malá oka, je i otcovství jisté. Levnější než na myších je dělat pokusy na muškách octomilkách. Ta se množí ještě rychleji než myši. A ještě vhodnější jsou háďátka. Háďátkem zde máme na mysli červíka Caenorhabditis elegans, což je ve skutečnosti  hlístice. Od oplození do dospělosti to zvládá za tři dny a sehnat  se dá v každém  kompostu. Není tvorem parazitickým, a tak personálu od něj nic nehrozí a hlavně během pokusu nepoletuje. Přednosti hádátka si jako první uvědomil Sydney Brenner. Práce mu proto šla rychle od ruky a stal se díky háďátkům nobelistou. Postupně i dalším třem vědcům se přičinilo o poctu nejvyšší, zvanou Nobelovka. Háďě stálo u zrodu poznání RNA interference, o níž jsme psali v článku „Zabijácké RNA by se mohly stát nouzovým vypínačem všech typů rakoviny“. A také zde:.

Epigenetické poznámky, které genům diktují, jak mají být aktivní, jsou psané jazykem acetylace a metylace. Tužkou, která je psala, jsou naše zkušenosti a úlohu papíru převzaly proteiny, o nichž jsme si dlouho mysleli, že zastávají jen funkci jakéhosi lešení pro vlákna DNA, aby se nám v chromozomu nezašmodrchala. Na obrázku jsou dva typické příklady epigenetických procesů, methylace DNA a acetylace histonů. (Kredit: National Institutes of Health)

Dnes se zaměříme na poznatky týmu Tomoko M. Tabuchi. Nenechte se mýlit jménem, jde o vedoucí týmu na University of California v  Santa Cruz. Také si ke svým pokusům vybrali C. Elegans. Prý proto, že bez potravy vydrží až tři měsíce a že si při práci mohli dávat pauzu na KitKat, ale i vybírat dovolenou v celku. Když mluví vážně, tak dodávají, že v každém dospělci je jen 959 buněk, neboť tito tvorové mají pevně daný počet dělení oplozeného vajíčka. To hlavní ale na nich je, že i když se v publikacích uvádí, že to jsou  hermafrodité (oplodňují sami sebe) a že mají dva pohlavní X chromozomy, dospělci jsou tedy XX, není to celá pravda. Hermafrodity jsou z „jen“ z 99,9 %. Ta zbývající desetinka procenta populace jsou samci!  A ti se také jako správní samci chovají. Oplodňují hermafroditické „samice“. Geneticky se tito jedinci poznají podle pohlavních chromozomů – geneticky jsou X0. A je tu ještě jedna zajímavůstka. Buňky háďátek nejsou tak hloupé, jak vypadají. Nějak dovedou počítat a tak buňky v pohlavních orgánech poznají, kolik mají X chromozomů a podle toho si aktivují signální dráhy a spouští samčí nebo samičí program. Červíci mají nukleosomovou strukturu DNA ve spermiích podobnou té savčí. Jen místo protaminu v ní mají převážně histony. To ale teď není důležité, podstatné je, že struktura DNA, která se vyskytuje ve spermiích, nese epigenetickou paměť. Že se formuje během spermatogeneze. A že tedy spermie nesou svůj specifický chromatinový podpis, což je něco jako návod na použití vybraných genů. Není pochyb o tom, že epigenetická informace zprostředkovaná spermatem je důležitou součástí správného vývoje potomků, stejně jako obdobné pokyny od matky.

Závěr

Rád bych touto cestou vyjádřil červíkům vděčnost. Poděkování si zaslouží především za to, jak nade vší pochybnost potvrdili, že i spermie zvládají stejné epigenetické fígle jako umí vajíčka. Tím našim drahým polovičkám sebrali argument, kterým se na nás povyšovaly a zadupávaly nám ego. Žel má poznatek i druhou stranu mince. Chlast, kouření a obžerství bychom měli odsunout až na dobu, kdy se už nebudeme chtít množit. Případná úvaha, nechat si sperma zamrazit a dál se oddávat neřestem, je správná i lákavá, ale má to háček. Nepostihuje to, k čemu je epigenetické glosování užitečné. Slouží k předávání pokynů, které jsou odrazem prožitých zkušeností. Jemně dolaďuje činnost genů u potomků a tím je připravuje na život v prostředí, do jakého je přivádíme. Svým způsobem tedy jde o předání „užitečností“ získaných během toho, čím vším jsme si v životě prošli. Pokud se nám zapsalo i něco, co by se ratolestem mohlo hodit, o tento benefit bychom je tím připravili. A protože některé z epigenetických značek přetrvávají i po několik generací, hraje se o hodně. Nejen, jak si nás budou „pamatovat“ naše děti, ale i vnoučata. Stejně dobře by proto tomuto článku seděl název:  „Dědečkovy vzpomínky zapsané do tatínkových spermií“.

Literatura

Tomoko M. Tabuchi, et.al.: Caenorhabditis elegans sperm carry a histone-based epigenetic memory of both spermatogenesis and oogenesis.  Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06236-8

eLife 6: e29702, Oncotarget 8: 84643-84658

Esteller M (2007) Epigenetic gene silencing in cancer: the DNA hypermethylome. Human Molecular Genetics 16(1): R50-R59. doi:10.1093/hmg/ddm018

Marie Šilhánková, Lenka Libusová.: „Háďátko Caenorhabditis elegans“. Vesmír 89, 487.