Nicola Silva se dlouhodobě zabývá děděním chromozomů z jedné generace na druhou, se zaměřením na fázi meiózy. Objevil protein regulující tvorbu tzv. synaptonemálního komplexu – proteinového „zipu“ sehrávajícího klíčovou roli při párování a stabilizaci chromozomů. BRA-2 je vůbec prvním proteinem, u kterého bylo popsáno, že zajišťuje, že synapse se utvoří pouze tehdy, když chromozomy najdou svého homologního partnera.
Meióza a mitóza jsou pojmy, které si leckdo pamatuje ze středoškolské biologie, přesto, můžete je přiblížit?
Jde o způsoby, jakými se buňky dělí. Zatímco mitóza se odehrává v běžných tělních neboli somatických buňkách – kožních, svalových a tak dále – během meiózy jsou formovány buňky pohlavní, tedy vajíčka a spermie. Oba procesy pracují s DNA, tedy s genetickou informací, ale probíhají odlišně.
Při mitóze si buňka před dělením zkopíruje DNA a obě nově vzniklé buňky pak mají naprosto stejnou genetickou výbavu. Meióza je složitější. I při ní se sice DNA nejdřív zkopíruje, ale dělení se během ní odehrají dvě. Výsledkem tak nejsou dvě, ale čtyři buňky, z nichž každá má jen polovinu původní genetické informace.
Například člověk má 46 chromozomů, tedy 23 párů – polovinu od matky z vajíčka, polovinu od otce ze spermie. Když dojde k oplodnění, spermie a vajíčko se spojí a DNA se opět doplní do kompletní sady. Aby toto všechno proběhlo úspěšně, DNA se musí rozdělit rovnoměrně, nemůžou z něj vzejít buňky s odlišným počtem chromozomů. Tuto rovnoměrnost zajišťuje série mechanismů, přičemž my se zaměřujeme mimo jiné na to, jak se mezi chromozomy utvářejí synapse.
V čem je párování tak zásadní?
Každá vaše buňka obsahuje jeden chromozom od vašeho otce, jeden od matky – říká se jim parentální chromozomy, jsou si velice podobné, ale ne úplně stejné. A tyto dva chromozomy se musejí najít v poměrně rozlehlém prostředí buněčného jádra, aby se spojily. Jak k tomuto spojení dochází, je přitom jedna z nejzásadnějších nezodpovězených otázek v našem oboru. Dnes už máme nástroje, které nám pohyb chromozomů v buněčném jádru umožňují sledovat. V momentě, kdy se dva chromozomy najdou, dojde na jejich spárování a stabilizaci. To umožňuje tzv. synaptonemální komplex, což je proteinová struktura, vyskytující se pouze u meiózy. Tedy, vyskytuje se i u mitotických buněk, ale jen v případě nádorů – řada typů rakovin tak vykazuje expresi meiotických proteinů, ale to bych odbíhal…
Jak si mám tento synaptonemální komplex představit?
Jako zip – on tak pod mikroskopem skutečně vypadá. Díky tomu, že chromozomy „zapne“ dohromady, mohou si navzájem vyměnit informace, což je v případě meiózy zásadní i proto, aby mohla dát vzniknout genetické variabilitě. K tomu dochází skrze tzv. homologní rekombinaci, v podstatě fyzickou výměnu částí DNA mezi dvěma chromozomy. Díky ní vznikají nové kombinace a variace a ve výsledku jsme tak jako lidé velice podobní, ale zároveň každý zcela jiný. Tuhle výměnu informací umožňuje právě synaptonemální komplex.
Co vás zajímá především?
Dlouhodobě mě zajímá stabilita buněčného genomu a opravy poškozené DNA. Když dojde k narušení struktury DNA, buňka aktivuje sérii nouzových reakcí. Poškodit se přitom může jeden řetězec DNA, v horším případě oba. Při mitóze může k poškození dojít chybou zapříčiněnou běžnými metabolickými procesy v buňce, vlivem genotoxických látek, jedů, ale třeba i alkoholu, radiace nebo chemoterapie – podstata chemoterapie je vyvolat genetickou nestabilitu rakovinných buněk, které postrádají některé z opravných systémů a pak umírají. Zdravé buňky jsou při takové terapii sice také poškozeny, ale dokážou se opravit, případně „spáchají sebevraždu“.
Jakou to má souvislost s meiózou?
U meiózy k takovým zlomům v DNA dochází za účelem toho, aby si chromozomy mohly vyměnit informace. Následně se ten zlom opraví. To je podstata homologní rekombinace. U meiotických buněk se spojení těchto zlomů nazývá crossover a místa spojů se označují jako chiasmata, z latiny kříže, protože se v těchto bodech chromozomy doslova fyzicky překříží. Pokud by chromozomy nebyly spojené těmito chiasmaty, nemohly by se dál správně rozdělit na dvě poloviny. Takové nerovnoměrné rozdělení chromozomů by vedlo ke vzniku pohlavních buněk, které často nejsou životaschopné nebo mohou vést k vrozeným vadám.
V aktuální studii jste se zaměřili hlavně na synaptonemální komplex?
Ano, ale víceméně náhodou. Mě vždy zajímala hlavně homologní rekombinace a to, jak v DNA při meióze vznikají zlomy a jak jsou následně opravovány, protože těch způsobů je celá řada. Stejně tak je spousta příčin, proč chromozomy nevytvářejí správné crossovery. Prostředí buněčného jádra je poměrně chaotické a v průběhu meiózy v něm dochází k reorganizaci a k sbližování chromozomů, až dokud se proti sobě nepostaví dva chromozomy, mezi nimiž se vytvoří synaptonemální komplex. V tu chvíli přichází na řadu jejich sepnutí tímto zipem, opravdu jakoby z jednoho konce na druhý.
Přičemž vy jste teď zjistili, jak tohle zazipování funguje, a jakou roli v něm hrají proteiny BRA-2 a HIM-17, z nichž první jste objevili zcela nově, ano?
Ano, o významu HIM-17 pro vznik dvouřetězcových zlomů DNA se ví už nějakou dobu, ale dosud nebylo zjištěno, že by se podílel na podpoře párování a synapsí. BRA-2 jsme však objevili až my. Když jsem zakládal výzkumnou skupinu, vytvořil jsem s využitím CRISPR metody, tedy jakýchsi genetických nůžek, funkční linie modelových organismů s několika verzemi pomocných faktorů nezbytných pro vznik dvouřetězcových zlomů DNA, které využíváme k identifikaci nových proteinů, které na tyto zlomy mají vliv.
Jak taková identifikace probíhá?
Obohacujeme vybrané proteiny o tzv. návnady, na které se pak vážou další proteiny. Vybraný protein přitom máme označený, takže ho pak můžeme oddělit od těch navázaných, které s ním interagují, a ty se pak pokoušíme identifkovat pomocí hmotnostní spektrometrie. Takto jsme obohatili HIM-17 a spolu s ním jsme stáhli BRA-2. Vzájemně spolu interagují, i když mechanismus interakce zatím neznáme.
V čem je váš přístup tak pokrokový, že se vám to podařilo jako prvním?
Nezbytným předpokladem pro nové objevy je mít kvalitní „úlovky“ neboli pull-downy, pro které je zase klíčová vysoká čistota proteinových extraktů z meiotických buněk. Pokud nejsou kvalitní, těžko v nich něco objevíte. My pracujeme s modelovým systémem Caenorhabditis elegans, což je malý červík, velice roztomilý, na kterém se meióza studuje naprosto skvěle. To, co by nám s myšími modely trvalo roky, zvládneme s C. elegans během týdnů. Jde o velice jednoduchý modelový systém, ale zahrnuje všechny klíčové signální a regulační dráhy, které hrají roli i u lidí a díky výzkumu na těchto červech už několik vědců dokonce získalo Nobelovu cenu. Máme práci s nimi docela osvojenou a neustále se mi kvůli spolupráci ozývají kolegové z různých zemí.
Vyskytují se HIM-17 a BRA-2 i u člověka?
HIM-17 se u člověka nevyskytuje, respektive lidé nemají jeho ortolog. Ortology jsou geny, které pocházejí ze společného evolučního předka a ve dvou různých druzích (například u červa a člověka) často plní stejnou nebo podobnou funkci – i když se jejich sekvence může lišit. Nicméně BRA-2 tento lidský ortolog – označovaný jako ZMYND11 – má, zatím však blíže nepopsaný. Jsou mezi nimi drobné odlišnosti, ale jejich základní proteinová doména ovlivňující funkci je u lidí i u C. elegans stejná. Předpokládal bych, že vědci věnující se meióze u savců se proto teď na základě našeho objevu na BRA-2 víc zaměří.
Vy už jste ale zároveň popsali, jak se HIM-17 a BRA-2 doplňují, že?
O HIM-17 se dosud vědělo jen to, že je důležitý pro tvorbu zlomů, nikdo však dosud neidentifikoval jeho roli v procesu párování chromozomů a tvorbě synapsí. Naše studie je první, která toto přibližuje. Většina vědců, která se zabývá synaptonemálním komplexem, ho studuje na strukturální úrovni, oproti tomu my jsme se zaměřili na regulační mechanismy a to, jak vzniká. Jak se jeho části, vědci už popsané, skládají dohromady. BRA-2 není strukturální součástí synaptonemálního komplexu, reguluje však jeho prodlužování. Synaptonemální komplex je totiž v podstatě takové lepidlo, které by bez regulace dokázalo spojit i nehomologní chromozomy, což by byl průšvih. Chromozomy se musí najít a vždy se musí spojit ten samý chromozom od otce s tím od matky, tedy homologní pár. Musí proto existovat mechanismus zajišťující, že se synaptonemální komplex polymerizuje jen mezi homologními protějšky. BRA-2 je první protein, u něhož jsme doložili, že je pro tento proces nezbytný jako faktor stimulující polymerizaci. V podstatě jakoby dává chromozomům „povolení“ vytvořit synaptonemální komplex – ověřuje, že jsou opravdu homologní.
Co se děje, když tyto dva proteiny nefungují správně a co způsobí, že nefungují správně?
Pokud BRA-2 chybí, vytvoří se jen velice malý úsek komplexu, často žádný. Zároveň jsme zjistili, že pro tvorbu komplexu není až tak zásadní HIM-17, protože když chybí, BRA-2 dokáže převzít jeho úlohu. Dá se říct, že fungují paralelně. Pokud ale chybí oba, komplex nevznikne vůbec a chromozomy se vůbec nedokážou spárovat.
Když k některé z těchto chyb dojde, vede to k neplodnosti…
Ano, protože se nevytvoří pohlavní buňky anebo se vytvoří takové, které jsou vadné, protože mají špatný počet chromozomů. U červů pak vidíme, že sice matka naklade vajíčka, ale ta nejsou životaschopná.
U lidí to může mít jaký vliv?
U lidí věda objevuje neustále nějaké nové mutace negativně ovlivňující plodnost a spousta jich je navázána právě na synaptonemální komplex. Jako vědec zabývající se meiózou můžu říct, že jako lidský druh jsme v meióze ne příliš dobří. Občas vůbec nechápu, jak jsme se mohli vyvinout až na takovou úroveň, protože způsob, jakým jsou produkované naše pohlavní buňky, vykazuje značnou míru nepřesností. Nehledě na to, po jak dlouhou dobu jsme této produkce schopni. Muži sice produkují pohlavní buňky celý svůj život, u žen je však toto období omezené, přibývající věk navíc ovlivňuje stabilitu chromozomů, v důsledku čehož dochází k potratům nebo ke vzniku nejrůznějších trizomií. V posledních letech se přitom ukazuje, že přibývající věk hraje roli nejen u žen, ale i u mužů.
Jak se vůbec liší meióza u mužů a žen?
Meióza u žen je nesmírně komplikovaná, protože začíná už během embryonálního vývoje, kdy dojde k prvnímu meiotickému dělení, přičemž tyto buňky pak několik let „spí“, až do puberty. I proto je věk u žen pro plodnost tak stěžejní – vajíčko se vytvoří tak jako tak, ale s přibývajícím věkem jeho kvalita klesá. Oproti tomu u mužů probíhá meióza v průběhu celého života a pokud dojde k poruše na úrovni synaptonemálního komplexu, spermie se sice vytvoří, ale nejsou životaschopné.
Jak tedy můžou ostatní vědci na vaše zjištění navázat a směrovat ho od výzkumu na červech víc k savcům?
U lidí byl ortolog BRA-2, tedy ZMYND11, popisován v souvislosti s některými formami autismu, mentální retardací nebo poruchami učení. Ale třeba u myší je dáván do souvislosti i se sníženou plodností. My jsme teď doplnili další dílek skládačky a je samozřejmě potřeba ověřit BRA-2 i na jiných modelech – protože zatímco některé organismy mohou mutaci tolerovat a růst i s ní, byť neplodné, jiné může zahubit už v děloze. S využitím CRISPR technologie lze cíleně vytvořit mutaci daného genu a sledovat, zda má podobný efekt na tvorbu pohlavních buněk i u nich. Byť to u myší bude mnohem zdlouhavější a finančně náročnější než u červů.
Lze si představit nějaké praktické využití vašeho objevu už dnes?
Dnes se uvádí, že zhruba každý pátý pár má problémy s početím. Když lidé přijdou na kliniku asistované reprodukce, provedou jim celogenomové sekvenování a zanalyzují DNA, ale zaměřují se jen na známé mutace. Ve více než polovině těchto případů je však genom zdánlivě v pořádku, pak se mluví o tzv. idiopatické neplodnosti, kdy je její příčina neznámá. Pokud se ale podaří najít nový protein, který může být příčinou neplodnosti, lze se v diagnostických testech zaměřit i na něj. V jiných případech, jako je ten náš, se lze zaměřit na specifický mechanismus. U červů ho ovlivňuje BRA-2, u lidí to může být jeho ortolog ZMYND11 nebo nějaký jiný příbuzný protein.
Což prověřit potrvá ještě mnoho let…
Věda je o stopách, které vedou jedna k druhé a které se dají rozvíjet. Ale je taky o ohromném množství dat, která nedávají žádný smysl. Člověk může strávit spoustu času snahou o jejich pochopení, ale spojí si je až někdo s nějakou novou studií. Třeba jako je ta naše.
Autor: Václav Tesař
Zdroj: Masarykova univerzita
Nicola Silva, italský rodák, se dlouhodobě věnuje výzkumu buněčného genomu a opravám poškozené DNA. Působil v italské Neapoli, v Anglii a ve Vídni, od roku 2019 je profesně doma na Biologickém ústavu Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, kde vede vlastní výzkumnou skupinu. Ke studiu meiózy využívá modelového organismu Caenorhabditis elegans.
- Autor článku: ne
- Zdroj: Masarykova univerzita
