Viry nedevastují jen živočichy a rostliny, ale jsou pohromou i pro bakterie. Ty se jim brání celou řadou mechanismů, jež si lze představit jako obdobu našeho imunitního systému. Jeho součástí je i CRISPR (zkratka z předlouhého názvu „clustered regularly interspaced short palindromic repeats“) využitý v roce 2012 pro potřeby genového inženýrství k tzv. editaci genomu a oceněný v roce 2020 Nobelovou cenou za chemii pro Jennifer Doudnaovou a Emannuelle Charpentierovou. Nyní vědci odhalili doposud neznámý obranný mechanismus bakterií, který staví na hlavu to, co o fungování dědičné informace víme. A je zřejmě rovněž příslibem pro genové inženýrství.

 

Na stopu této komponenty bakteriálního imunitního systému se vědci dostali už v roce 2020, když tým vedený Feng Zhangem z Massachusetts Institute of Technology zjistil, že bakterie vděčí za odolnost k virům-bakteriofágům úsekům DNA, podle kterých se tvoří jen krátké řetězce RNA, jež se nepřepisují do bílkovinných molekul. K tomu bakterie použily ještě sekvenci DNA pro tvorbu enzymu známého jako reverzní transkriptáza. Ta byla poprvé odhalena u tzv. retrovirů, které mají dědičnou informaci ve formě RNA, jež se pomocí reverzní transkriptázy ve virem nakažené buňce přepíše do DNA a ta se „vmáčkne“ do DNA hostitelské buňky. Tenhle genetický trojský kůň pak zajistí, že buňka množí viry – vytváří pro ně jak bílkoviny virového obalu, tak i virovou dědičnou informaci ve formě RNA. Zjištění, že chod dědičné informace může běžet díky reverzní transkriptáze „na zpátečku“ - tedy nikoli jen z DNA do RNA, ale i z RNA do DNA, bylo ve své době natolik revoluční, že za něj Američané Temin a Baltimore dostali Nobelovu cenu. Oba uznale hovořili o českém virologovi Janu Svobodovi, jehož výzkum se ukázal pro objev reverzní transkriptázy jako klíčový.

 

Viry nemají na reverzní transkriptázu monopol. Disponují s ní také bakterie, které ji různými způsoby využívají k obraně proti virům. Jak se dokážou ubránit díky reverzní transkriptáze a krátkým řetězcům RNA, jež se nepřepisují do proteinů, zůstávalo donedávna záhadou. Tu nyní rozlouskly hned dva týmy - jeden vedený Feng Zhangem a druhý šéfovaný Samuelem Sternbergem z newyorské Columbia University. Oba týmy publikovaly výsledky svého výzkumu ve vědeckém časopise Science.

 

Gen neo – uspávač bakterií

Ukázalo se, že v bakterii napadené virem začne reverzní transkriptáza vytvářet řetězec DNA podle předlohy krátkých RNA. Počíná si přitom natolik neortodoxně, že někteří vědci hovoří o „vetřelecké biologii“. Když reverzní transkriptáza dospěje na konec předlohy v podobě řetězce RNA, syntézu DNA ukončí. V tomto případě ale jako kdyby se „zasekla“ nebo „zakoktala“ a vytváří dlouhý řetězec DNA tvořený mnoha úseky opakovaně přepsanými podle krátké předlohy RNA. Existuje pro to dobrý důvod. Když se z takto vzniklé DNA vytvoří spořádaným způsobem dlouhý řetězec RNA, vznikne podle něj zcela nová bílkovina, pro kterou bychom ve vlastní v dědičné informaci bakterie marně hledali dědičnou vlohu. Gen tedy vzniká úplně na zelené louce a pohybuje se volně v bakteriální buňce. I proto dostal jméno neo. Jeho sesazením z mnoha krátkých úseků DNA vzniknou na dvojité šroubovici místa, která jsou nezbytně nutná pro zahájení syntézy dlouhé RNA sloužící jako předloha pro výrobu bílkoviny.

 

Zajímavá je i úloha bílkoviny vytvořené podle genu neo. Bakteriální buňku jednoduše „uspí“ a tím nedovolí viru, aby zneužil její vnitřní mašinérii k tvorbě nových virů. Pro virus je to něco jako jízda na mrtvém koni. A odpověď na logickou otázku: Proč si bakterie nevyrábí tenhle ochranný protein permanentně jako prevenci virové nákazy a čeká s tím, až když už „hoří“? Vědci přiznávají, že nevědí. Snad je to tím, že by protein syntetizovaný podle genu neo knockoutoval i zdravé buňky.

Z laboratoře do praxe?

Už se vyrojily spekulace, jestli „neo“ geny mají jen bakterie, nebo zda by se nenašly také ve vyšších organismech včetně člověka. Třeba Samuel Sternberg jejich existenci nevylučuje. Poukazuje na fakt, že se v lidském genomu nacházejí tisíce genů pro reverzní transkriptázu a u mnohých zůstává jejich role zahalena tajemstvím.

 

Objev by mohl najít i praktické uplatnění. Jedna z technik genového inženýrství, tzv. prime editing, kombinuje možnosti CRISPR s dovednostmi reverzní transkriptázy. Podle Sternberga se zdá bakteriální reverzní transkriptáza zodpovědná za produkci genu neo pro editaci genomu metodou prime editing podstatně příhodnější. Uvidíme.

 

Video: De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase

 

Prameny:

Gao, L., Altae-Tran, H., Böhning, F., Makarova, K. S., Segel, M., Schmid-Burgk, J. L., and Zhang, F. (2020). Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes. Science, 369(6507), 1077-1084.

Stephen Tang, Valentin Conte, Dennis J. Zhang, Rimantė Žedaveinytė, George D. Lampe, Tanner Wiegand, Lauren C. Tang, Megan Wang, Matt W. G. Walker, Jerrin Thomas George, Luke E. Berchowitz, Marko Jovanovic, and Samuel H. Sternberg. De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase. Science 8 Aug 2024 First Release DOI: 10.1126/science.adq0876

Max E. Wilkinson, David Li, Alex Gao, Rhiannon K. Macrae, and Feng Zhang. Phage-triggered reverse transcription assembles a toxic repetitive gene from a noncoding RNA. Science 29 Aug 2024 First Release DOI: 10.1126/science.adq3977