Možná si Brno spojujete s funkcionalistickou architekturou, brněnským „drakem“ nebo nekonečnými debatami o poloze hlavního nádraží. Ale pod povrchem města, v tichu laboratoří Středoevropského technologického institutu (CEITEC), na půdě Masarykovy univerzity či v Biofyzikálním ústavu Akademie věd, se odehrává vědecké dobrodružství světového formátu. Nejde o nic menšího než o pochopení základních mechanismů života, stárnutí a evoluce na té nejjemnější úrovni – na samotných koncích našich chromozomů.

Právě zde, v Brně, se koncentruje pozoruhodné množství mozků a technologií zaměřených na struktury zvané telomery. Jsou to místa, kde se řeší fundamentální otázky: Proč stárneme? Jak buňky chrání svou genetickou informaci? Jak se život přizpůsobuje a vyvíjí na molekulární úrovni? A jak uvidíme, výzkum zde nezahrnuje jen pipety a sekvenátory, ale i překvapivé evoluční zvraty a vědce, kteří si pamatují své mentory nejen pro jejich vědecký přínos, ale třeba i pro umění kouřit dýmku.

Proč by vás měly zajímat konce tkaniček vaší DNA?

Představte si chromozom jako tkaničku od bot. Na jejích koncích jsou ty malé plastové nebo kovové návlečky, aglety, zabraňující jejímu roztřepení. Telomery plní na koncích našich chromozomů podobnou funkci. Jsou to specializované struktury tvořené opakujícími se sekvencemi DNA a přidruženými proteiny. Jejich hlavním úkolem je chránit kódující části genomu před ztrátou během kopírování DNA a zabránit tomu, aby buňka považovala přirozené konce chromozomů za nebezpečné zlomy DNA, které by se snažila „opravit“, často s katastrofálními následky pro genomovou stabilitu.

Problém je, že běžné enzymy kopírující DNA, takzvané DNA polymerázy, mají technický limit – nedokážou zkopírovat úplný konec lineární molekuly DNA. Je to trochu jako když se snažíte natřít podlahu a vždycky vám kousek u dveří zbude, kam si nemůžete stoupnout. Výsledkem je, že s každým buněčným dělením se konce chromozomů, telomery, mírně zkracují. A řekněme si upřímně, kdo z nás nemá občas pocit, že mu něco na koncích chybí? Když telomery dosáhnou kriticky krátké délky, buňka to vyhodnotí jako signál poškození nebo stáří a přestane se dělit, vstoupí do stavu zvaného senescence, nebo dokonce spustí programovanou buněčnou smrt . Je však důležité poznamenat, že senescence není způsobena pouze zkracováním telomer; může být vyvolána i jinými stresory, jako je poškození DNA nebo aktivace onkogenů, a představuje tak obecnější reakci buňky na stres . Tento mechanismus (replikativní senescence) je pravděpodobně způsobem, jak se mnohobuněčné organismy zbavují starých buněk, jež mohly nahromadit mutace.

Naštěstí existuje enzym, který tomuto zkracování dokáže čelit – telomeráza. Je to fascinující molekulární stroj, ribonukleoproteinový komplex, skládající se ze dvou klíčových částí: proteinové podjednotky s enzymatickou aktivitou (reverzní transkriptáza, zvaná TERT) a molekuly RNA (telomerázová RNA, zvaná TR). TR slouží jako matrice, podle níž TERT syntetizuje a přidává na konce chromozomů stále nové a nové kopie telomerické repetitivní sekvence . Telomeráza tak vlastně „doplňuje“ ztracené konce. Její aktivita je ovšem v organismu přísně regulována; u většiny lidských somatických buněk je nízká nebo žádná, což přispívá k procesu stárnutí, zatímco v kmenových buňkách nebo nádorových buňkách bývá aktivní . Regulace telomerázy je však ve skutečnosti mnohem komplexnější a zahrnuje nejen přítomnost TERT a TR, ale i kontrolu jejich genové exprese, post-transkripční úpravy, složitý proces sestavení funkčního komplexu a jeho transport k telomerám.

Význam telomer a telomerázy je tedy obrovský – souvisí se stárnutím, rakovinou, stabilitou genomu a celkovou životaschopností buněk i organismů . Není divu, že se tomuto systému věnuje taková pozornost i v Brně. Koncentrace výzkumných skupin a institucí zaměřených na telomery a související oblasti (chromatin, oprava DNA) – CEITEC Masarykovy univerzity, Národní centrum pro výzkum biomolekul Přírodovědecké fakulty MU, Biofyzikální ústav AV ČR – naznačuje, že nejde jen o okrajový zájem několika jedinců. Brno si v této oblasti vybudovalo silnou pozici, kde se expertíza kumuluje a pravděpodobně i vzájemně inspiruje. Tato geografická blízkost a dokumentovaná spolupráce vytváří synergický výzkumný ekosystém, který usnadňuje výměnu znalostí a sdílení špičkové infrastruktury, což dokládá i existence specializovaných center jako je Mendelovo centrum genomiky a proteomiky rostlin.

Telomeres appear as the bright spots at the ends of each chromosome in the picture shown above. Image credit: "Telomere caps," by U.S. Department of Energy Human Genome Program (public domain).

Brněnští titáni telomer: Fajkus, Sýkorová a věčná otázka (ne)stárnutí

V centru brněnského telomerového bádání stojí několik klíčových postav. Jednou z nich je bezesporu profesor Jiří Fajkus, působící na CEITEC MU, Přírodovědecké fakultě MU a částečně i na Biofyzikálním ústavu AV ČR. Vede zde výzkumnou skupinu a také celé Mendelovo centrum genomiky a proteomiky rostlin. Jeho práce v oblasti biologie rostlinných telomer mu vynesla mezinárodní uznání, včetně členství v prestižní Evropské organizaci pro molekulární biologii (EMBO) a řady ocenění.

Právě Fajkusův tým stál v roce 1996 u přelomového objevu – jako první na světě detekoval aktivitu telomerázy v rostlinných buňkách. Možná to byla, jak sám s jistou skromností podotýká (podle rozhovoru v časopise Živa 3/2024), „klika začátečníka“, ale tento objev otevřel zcela nové pole výzkumu. Ukázalo se totiž, že rostliny mají k telomerám a telomeráze poněkud jiný vztah než živočichové.

Na rozdíl od většiny našich buněk, kde telomeráza po embryonálním vývoji utichá, v rostlinách zůstává aktivní v dělivých pletivech (meristémech) po celý život, což jim umožňuje neustálý růst bez progresivního zkracování telomer. A co víc, Fajkus a jeho kolegové ukázali, že i když vezmete buňky z listu, kde už telomeráza „spí“, a začnete je pěstovat v laboratoři jako tkáňovou kulturu, telomeráza se v nich opět probudí. Z takové kultury pak můžete vypěstovat celou novou rostlinu s plně dlouhými telomerami. Rostliny si zkrátka s nějakým stárnutím hlavu příliš nelámou, na rozdíl od nás, kteří si musíme kupovat drahé krémy. Tato reverzibilní regulace telomerázy byla něčím specifickým, co stálo za další zkoumání.

Další klíčovou osobností brněnského výzkumu je RNDr. Eva Sýkorová, CSc., působící především na Biofyzikálním ústavu AV ČR, ale úzce spolupracující s Fajkusovými skupinami na MU a CEITEC, jak dokládají společné projekty a publikace. Její expertíza leží zejména v oblasti evoluce telomerázy a charakterizace její RNA složky (TR).

Tito dva vědci samozřejmě nejsou sami. Brněnský „telomerový ekosystém“ zahrnuje řadu dalších talentovaných výzkumníků, jako jsou Miloslava Fojtová, Petra Procházková Schrumpfová, Vratislav Peska nebo dokonce Petr Fajkus, syn Jiřího Fajkuse, kráčející ve šlépějích svého otce ve výzkumu telomer. Tato koncentrace talentů a spolupráce je jedním z důvodů, proč se Brno stalo v této oblasti špičkovým pracovištěm.

A aby byl obrázek kompletní, dodejme i lidský rozměr. Profesor Fajkus v rozhovorech přiznává, že jako kluk chtěl být řidičem tramvaje (kvůli těm úžasným klikám a tlačítkům) nebo popelářem. K vědě ho přivedly až knížky a pořady jako Meteor. Jak uvádí rozhovor v časopise Živa (3/2024), rád vzpomíná na své mentory, třeba na docenta Milana Bezděka, který ho naučil kouřit dýmku, nebo na Ronalda Hancocka v Kanadě, jenž mu připomínal Jana Wericha a také kouřil dýmku. Tyto drobné střípky ukazují, že i špičkoví vědci jsou lidé se svými sny, vzpomínkami a občas i nečekanými dovednostmi. A dokládají, že věda není jen o datech, ale i o lidech a vztazích. Ten objev z roku 1996 nebyl konečnou stanicí, ale spíše startovním výstřelem pro dekády dalšího bádání, které postupně odhalovalo stále složitější otázky a vyžadovalo nové přístupy a technologie. Věda je zkrátka běh na dlouhou trať.

Budova Středoevropského technologického institutu (CEITEC) Masarykovy univerzity v Univerzitním kampusu Bohunice (Kamenice 5/753, budova E35), jedno z center, kde se rozplétají záhady konců chromozomů. Zdroj: CEITEC MU, PIcasa, Kosmit

Odhalená tajemství z brněnských laboratoří: Od kytek po hmyz a zase zpátky

Jednou z velkých záhad rostlinné biologie telomer byla dlouho právě telomerázová RNA (TR). Zatímco proteinová složka TERT byla relativně konzervativní a podařilo se ji identifikovat poměrně brzy, molekuly TR se zdály být extrémně rozmanité, a to i mezi blízce příbuznými druhy. Dlouho se nedařilo najít žádný společný znak, žádnou univerzální strukturu. Panovalo paradigma, že rostliny mají konzervativní TERT, ale velmi variabilní TR.

Klíč k rozluštění této hádanky přinesly, poněkud nečekaně, rostliny z rodu česnek (Allium). Tyto rostliny mají totiž neobvykle dlouhou a specifickou telomerickou sekvenci. Právě analýza jejich transkriptomů (souboru všech molekul RNA v buňce) umožnila týmu Jiřího Fajkuse a Evy Sýkorové v roce 2019 konečně identifikovat skutečné rostlinné TR. Byl to průlom, na který se čekalo více než dvacet let od objevu rostlinné telomerázy.

A s tím přišlo další překvapení. Ukázalo se, že navzdory předchozím předpokladům mají TR napříč suchozemskými rostlinami (a později se ukázalo, že i v širší skupině organismů zvané Diaphoretickes, zahrnující rostliny, řasy a některé prvoky ) společný evoluční původ – jsou monofyletické. To zcela změnilo pohled na evoluci telomerázové RNA.

Evoluční překvapení tím ale neskončila. Práce Evy Sýkorové a jejích spolupracovníků odhalila další nečekaný zvrat v říši hmyzu. Zjistili, že u blanokřídlých (Hymenoptera – mravenci, včely, vosy) se telomerázová RNA tvoří způsobem (biogenezí), který se nápadně podobá tomu u rostlin a nálevníků (Ciliata), a liší se od typického způsobu u obratlovců. Objevili dokonce u hmyzu TR, které svou strukturou připomínají rostlinné TR. To nabourává zjednodušené představy o evoluci TR u živočichů a ukazuje, jak si evoluce dokáže pohrávat se základními molekulárními mechanismy, přizpůsobovat je a někdy se vracet k řešením, která bychom čekali spíše v jiné větvi stromu života. Je to jasný důkaz, že evoluce nepostupuje vždy lineárně a že studium jen několika modelových organismů může vést k zavádějícím závěrům. Kontrast mezi objevem jednotného původu rostlinných TR a tímto zjištěním u hmyzu podtrhuje fascinující plasticitu evoluce systému telomerázy, kde se základní funkce zachovává, ale molekulární komponenty se mohou dramaticky měnit a adaptovat.

Kromě samotné telomerázy se brněnští vědci zaměřili i na proteiny, které se na telomery vážou a pomáhají je chránit a regulovat. Skupina Jiřího Fajkuse (zejména práce Petry Procházkové Schrumpfové) identifikovala a charakterizovala u rostlin proteiny nazvané TRB (Telomere Repeat Binding). Tyto proteiny se vážou přímo na telomerickou DNA, interagují s TERT podjednotkou telomerázy a podílejí se na udržování délky telomer. Zdá se, že by mohly být součástí rostlinné obdoby ochranného komplexu zvaného shelterin, známého z živočišných buněk. K jejich studiu využili vědci řadu moderních technik, včetně chromatinové imunoprecipitace (ChIP), která ukázala jejich vazbu na telomery přímo v buňkách, nebo bimolekulární fluorescenční komplementace (BiFC) pro vizualizaci interakcí s telomerázou.

Obrovská diverzita telomerových sekvencí, odhalená i díky těmto výzkumům a nástupu masivního paralelního sekvenování (NGS), vedla Fajkusovu skupinu (zejména Martina Lyčku, Miloslavu Fojtovou, Vratislava Pesku a další ) k vytvoření unikátního nástroje – databáze TeloBase. Jde o veřejně dostupnou, komunitně spravovanou databázi, shromažďující informace o známých telomerových sekvencích napříč všemi formami života. TeloBase umožňuje nejen katalogizovat tuto rozmanitost, ale díky integrovaným nástrojům i vizualizovat evoluční trendy (např. pomocí tzv. heat tree grafů ) a dokonce pomáhá objevovat nové, dosud nepopsané telomerové motivy v genomových datech. Vývoj TeloBase tak představuje nejen výsledek výzkumu, ale i významný příspěvek k budování infrastruktury pro celou vědeckou komunitu, usnadňující další objevy v době explozivního růstu genomických dat.

Tyto objevy by nebyly možné bez využití špičkových technologií a interdisciplinárních přístupů. Brněnští vědci pracují s metodami jako je CRISPR-Cas9 pro zobrazování dynamiky telomer v živých buňkách, proteomika pro identifikaci interakčních partnerů telomerázy, a především s masivním paralelním sekvenováním (NGS) a sofistikovanou bioinformatickou analýzou genomových a transkriptomových dat. Právě kombinace experimentální práce v laboratoři s výpočetními metodami je klíčem k úspěchu v moderní molekulární biologii.

Vizualizace evoluční rozmanitosti telomerových sekvencí pomocí „heat tree“ grafu z databáze TeloBase. Různé barvy mohou reprezentovat různé typy telomerových repetic napříč stromem života, odhalující nečekané vzory. Zdroj: Lyčka et al. (2024) TeloBase: a community-curated database of telomere sequences across the tree of life.

Mikroskopický snímek ukazující ko-lokalizaci proteinu TRB1 (zeleně) s telomerami (červeně) v jádře rostlinné buňky. Tento výzkum pomohl objasnit, jak rostliny chrání konce svých chromozomů. Zdroj: Procházková Schrumpfová et al. (2014) The Plant Journal.

Věda s lidskou tváří (a občasným povzdechem nad granty)

Věda, jakkoli fascinující svými objevy, se samozřejmě neodehrává ve vakuu. Je to lidská činnost se vším, co k tomu patří. Profesor Fajkus v rozhovoru pro časopis Živa (3/2024), jehož přesnost zde citujeme, otevřeně mluví i o odvrácené straně mince. Přiznává, že zatímco dříve bylo psaní grantových žádostí podobné přípravě publikací, dnes je pro něj stresující. Stále více prostoru zabírají formální náležitosti, úspěšnost v grantových soutěžích klesá a nízká šance na získání financí (bez nichž to bohužel nejde) je demotivující. „Ještě únavnější je opakovaně dokazovat úředníkům, že jsem grantové peníze využil hospodárně a efektivně a že jsem opravdu potřeboval v poslední etapě projektu nakoupit 60 000 pipetovacích špiček nebo 40 000 eppendorfek,“ povzdechne si (dle citovaného rozhovoru) s tím, že po více než 30 letech práce v oboru by si zasloužil trochu více důvěry. Kdo z nás by se občas nechtěl podepsat pod podobný povzdech nad byrokracií?

Zmiňuje také (stále dle rozhovoru v Živě 3/2024) zostřující se konkurenci v oboru a možná i menší míru kolegiality. Lidé se více soustředí na soutěž o peníze, ostatní jsou buď spolupracovníci, nebo konkurenti. Na konferencích se často neodváží mluvit o výsledcích, které ještě nemají přijaté k publikaci, aby jim je někdo „nevyfoukl“. Zdá se, že i ve vědě platí, že časy se mění. Tyto postřehy poskytují realistický pohled na vědeckou kariéru a vyvažují obraz čistého objevování praktickými výzvami.

Na druhou stranu, právě tyto rozhovory ukazují i sílu mezilidských vztahů a mentorshipu. Vzpomínky na inspirativní učitele a kolegy (jak uvádí rozhovor v Živě 3/2024) dokládají, že vědecká dráha je formována nejen daty a experimenty, ale i osobnostmi, které člověka na jeho cestě potkají a ovlivní.

A pak jsou tu samozřejmě ty momenty radosti a satisfakce. „Klika začátečníka“ při objevu rostlinné telomerázy. Potěšení, když se po 21 letech ukáže, že váš starý model struktury telomerového chromatinu byl správný. Nebo humorné přirovnání k Járovi Cimrmanovi, který „zahltil trh“ stovkami nově popsaných telomerázových RNA a návodem, jak na to – přirovnání k sopce, která se sama zasypala svou aktivitou (vše dle rozhovoru v Živě 3/2024). Tyto momenty, spolu s možností „zavřít se do laboratoře a bádat“, což profesor Fajkus považuje za odměnu po splnění všech ostatních povinností (opět v Živě 3/2024), jsou tím, co vědce žene dál navzdory všem překážkám. Celý proces vědeckého poznání je tak utvářen nejen intelektem a technologií, ale i lidskými emocemi, vztahy, frustracemi a triumfy.

Nekonečný příběh na koncích chromozomů?

Co si tedy odnést z pohledu do brněnských laboratoří zkoumajících telomery? Především poznání, že Brno je skutečně významným centrem tohoto výzkumu s mezinárodním přesahem. Práce Jiřího Fajkuse, Evy Sýkorové a jejich týmů zásadně posunula naše chápání biologie rostlinných telomer a evoluce telomerázové RNA, přičemž odhalila nečekané evoluční cesty a souvislosti.

Příběh telomer ale zdaleka nekončí. Stále zůstává mnoho otevřených otázek. Jak přesně je regulována aktivita telomerázy v různých buňkách a tkáních? Jak fungují alternativní mechanismy prodlužování telomer, které některé buňky (často nádorové) využívají? Jaký je kompletní obrázek evoluce telomer a telomerázy napříč celým stromem života?

Brněnští vědci jsou bezpochyby připraveni hledat odpovědi i na tyto otázky. Jejich dosavadní práce ukazuje nejen vědeckou excelenci, ale i vytrvalost, schopnost kombinovat různé přístupy a odvahu zpochybňovat zavedená dogmata. Ať už tedy příště pojedete do Brna obdivovat vily nebo na veletrh, vzpomeňte si, že v jeho zdech se odehrává i tichý, ale o to významnější výzkum na samotných hranicích života. Výzkum, který nám pomáhá pochopit nejen stárnutí a nemoci, ale i fascinující vynalézavost evoluce, jež po miliony let tvaruje křehké konce našich chromozomů.

Zdroje, další čtení

• Fajkus, J., Sýkorová, E., et al. (2019) Telomerase RNAs in land plants. Nucleic Acids Research, 47(18), 9842–9856. DOI: 10.1093/nar/gkz649 Klíčová publikace popisující identifikaci dlouho hledaných RNA komponent rostlinných telomeráz.
• Fajkus, P., Sýkorová, E., Fajkus, J., Peska, V. et al. (2023) Telomerase RNA in Hymenoptera (Insecta) switched to plant/ciliate-like biogenesis. Nucleic Acids Research, 51(1), 420–433. DOI: 10.1093/nar/gkac1202 Článek odhalující překvapivou evoluční cestu telomerázové RNA u blanokřídlého hmyzu.
• Procházková Schrumpfová, P., Fajkus, J., et al. (2014) Telomere repeat binding proteins are functional components of Arabidopsis telomeres and interact with telomerase. The Plant Journal, 77(5), 770-781. DOI: 10.1111/tpj.12433 Detailní pohled na rostlinné proteiny TRB, které chrání konce chromozomů a spolupracují s telomerázou.
• Lyčka, M., Fojtová, M., Fajkus, J., et al. (2024) TeloBase: a community-curated database of telomere sequences. Nucleic Acids Research, 52(D1), D311–D318. DOI: 10.1093/nar/gkad672 Představení brněnské databáze telomerových sekvencí – pokud si chcete udělat vlastní heatmapu evoluce.
• Fajkus, P., & Fajkus, J. (2025) Telomerase RNA evolution: a journey from plant telomeres to broader eukaryotic diversity. Biochemical Journal, 482(3), 167-177. DOI: 10.1042/BCJ20240501 Aktuální přehledový článek shrnující poznatky o evoluci telomerázové RNA, napsaný otcem a synem Fajkusovými.
• Fajkus, J., Kovařík, A., Královics, R., & Bezděk, M. (1996). Telomerase activity in plant cells. FEBS Letters, 391(3), 307-309. DOI: 10.1016/0014-5793(96)00773-3 Původní práce z roku 1996, kde brněnský tým jako první detekoval aktivitu telomerázy u rostlin.
• Fajkus, P. (2024) S Jiřím Fajkusem – rozhovor vědce s vědcem a syna s otcem. Živa, 3/2024, str. LXVI-LXIX. Odkaz: https://ziva.avcr.cz/2024-3/s-jirim-fajkusem-rozhovor-vedce-s-vedcem-a-syna-s-otcem.html Rozhovor plný osobních postřehů a pohledů na vědu, vedený synem Petrem s otcem Jiřím. (Poznámka: Anekdotické detaily v článku čerpají z tohoto zdroje.)
• CEITEC MU: https://www.ceitec.eu/
• Přírodovědecká fakulta MU: https://www.sci.muni.cz/
• Biofyzikální ústav AV ČR: https://www.ibp.cz/
• TeloBase: http://cfb.ceitec.muni.cz/telobase/