Klimešová: Popsali jsme buněčného ‚pomocníka střihače‘

„Je úžasné, že se nám něco takové podařilo. Popsat nový chaperon – ‚pomocníka filmového střihače‘ v našich buňkách – se už moc často nestává,“ říká doktorandka Klára Klimešová z Přírodovědecké fakulty UK a Ústavu molekulární genetiky Akademie věd, první autorka nedávné studie v časopise Nature Communications.

„Funkci chaperonu si můžeme představit jako práci pomocníka filmového střihače,“ přirovnává Klára Klimešová, doktorandka z Katedry buněčné biologie PřF UK. Chaperony pomáhají při takzvaném sestřihu RNA, což je zásadní proces, který probíhá při tvorbě všech našich proteinů podle informace uložené v DNA.

DNA návod ale obsahuje řadu nepotřebných informací a „poznámek pod čarou“, které se při výrobě proteinů musí vynechat. To se děje pomocí takzvaného RNA sestřihu, což je proces, který lze přirovnat k práci filmového střihače. Kameraman natočí hodiny záběrů, které jsou uloženy jako záznam v naší DNA. Filmový střihač pracuje s kopií – záznamem v RNA a z něho poté vybere a vystříhá vhodné scény, které spojí a vznikne výsledné dvouminutové video – protein. Filmovým střihačem v našich buňkách je takzvaný sestřihový komplex, jenž je složen z více než 150 součástek (proteinů, malých RNA a dalších molekul), které vzájemně spolupracují a s obrovskou přesností vystřihují nepotřebné části RNA (introny) a slepují ty chtěné (exony).

Ačkoliv je sestřihový komplex intenzivně studován již více než čtyřicet let, jeho detailní struktura, oněch 150 součástek, byla popsáno teprve před několika lety. O jeho funkci, jak se například organizuje či jak pozná, které části RNA má vystřihnout a které spojit, stále ještě mnoho nevíme. „V naší laboratoři, stejně jako v mnoha dalších po celém světě, zkoumáme, jak tento komplex funguje a jak se skládá,“‎ říká David Staněk, pedagog z Přírodovědecké fakulty UK a vedoucí Oddělení biologie RNA na Ústavu molekulární genetiky Akademie věd.

Vedoucí vědeckého týmu David Staněk a doktorandka Klára Klimešová. 

Sestřihový komplex si můžeme představit jako puzzle o 150 dílcích, jehož skládání musí být velmi přesné a rychlé – každou minutu se jich v našich buňkách složí asi dvacet tisíc. „Již víme, že se skládá po částech, podobně jako když děti skládají puzzle a nejdříve složí princeznu a vedle hrad, který je na druhé straně obrázku, a pak je propojí,“‎ přirovnává.

Pomocníci chaperony

Stejně jako filmový střihač má své asistenty, i sestřihový komplex má řadu pomocníků – chaperonů. Jedná se o proteiny, které napomáhají samotnému skládání a správné funkci komplexu, což vyjadřuje i jejich název pocházející z francouzského chaperon – gardedáma.
Tým Davida Staňka teď popsal jeden zcela nový chaperon, který pomáhá sestřihový komplex skládat a držet pohromadě. „Byl to neznámý protein, o kterém se jen vědělo, že jeho mutace je spojována s nižší tělesnou výškou. Nikoho ale nenapadlo, že má funkci chaperonu. Popsali jsme, jaké fáze skládání se účastní a kam přesně se váže,“‎ říká Klára Klimešová, první autorka studie, jež byla nedávno publikována v časopise Nature Communications. V dalších experimentech se budou snažit odhalit to, jak přesně funguje: „Chceme rozumět nejen tomu, co dělá, ale i jak to dělá.“

Aktuálně je popsáno deset až dvacet různých chaperonů, ale podle Klimešové jich je pravděpodobně mnohem více. Studium chaperonů je přitom poměrně obtížné. „Popis našeho chaperonu trval tři roky – je těžké najít ty správné podmínky laboratorních pokusů, abychom skutečně odhalili jeho funkci. Často se totiž stává, že komplex funguje i bez chaperonu, sice hůře, ale funguje,“‎ dodává vědkyně. K výzkumu využívala především biochemickou metodu imunoprecipitace a fluorescenční mikroskopii. „Protein, který mě zajímá, si označím pomocí různých specifických značek, které mi umožní protein ‚vytáhnout‘ – izolovat z buněk a dále studovat, nebo ho například sledovat přímo v buňkách pod mikroskopem (na obrázku v pravo je  modře obarvené buněčné jádro, kde probíhá sestřih RNA. Žluté tečky značí, kde se sestřihový komplex skládá a červeně jsou označena místa, kde sestřihový komplex - „molekulární filmový střihač“‎ pracuje).“

Některé chaperony mají krom pomocníka při skládání například i kontrolní funkci, kdy poznají chybu složení sestřihového komplexu, kterou se snaží opravit nebo někdy raději celý komplex zničí, aby nemohl působit problémy.

Sestřih jako prospěšný evoluční pozůstatek

Původ samotného RNA sestřihu zůstává záhadou. Asi nejpřesnější vysvětlení jeho vzniku je to, že se jedná o obranný mechanismu, kterým se náš dávný jednobuněčný předek bránil před invazí cizorodých elementů, které se samovolně vkládaly do jeho DNA. Buňky se tomu naučily bránit právě sestřihem, a jak to tak v přírodě bývá, z obranné reakce se později stala výhoda.

Naše buňky totiž umí alternativním sestřihem z jednoho DNA návodu vytvořit několik různých proteinů. „Podobně jako filmový střihač z natočeného záznamů může vytvořit několik variant výsledného videa,“‎ přirovnává Staněk. Právě to je důvodem, proč se člověk tolik liší od mouchy. „Geneticky se od octomilky lišíme o pouhé čtyři tisíce genů. Člověk ale ze svých dvaceti tisíc genů – DNA návodů umí pomocí alternativního sestřihu vytvořit mnoho různých proteinů.“‎ Buňky se také za miliardy let naučili odstřižky recyklovat. Pro vznik proteinu nepotřebné části tak mají regulační a další zásadní funkce – bez intronů bychom dnes nepřežili.

Žijeme v pestrém světě RNA

„RNA je v podstatě vše, řídí náš život. My, co se jejím výzkumem zabýváme, rádi říkáme, že žijeme v pestrém a barevném světě RNA,“‎ líčí s úsměvem Staněk. Její nejznámější funkcí je přepis informace z genů – naší DNA – do proteinů. „DNA je jen pasivní nositelka informace, což je sice důležité, ale sama se nemůže přepsat do proteinu. Je to jako kniha, kterou když nebudeme umět přečíst, tak jsou všechny v ní zapsané znalosti k ničemu a nenajdou uplatnění,“‎ dodává molekulární biolog. V našich buňkách ale máme nejrůznější typy RNA, které mají regulační, strukturní, katalytické a mnoho dalších funkcí.

„V základním výzkumu studujeme tyto buněčné mechanismy, které jsou velmi detailní a zdánlivě neužitečné. Pak ale přijde nová situace, jako například koronavirová pandemie, a tato naše dlouhodobá mravenčí práce najde praktické uplatnění,“‎ popisuje Staněk. Přesně to se stalo při vývoji mRNA vakcíny proti koronaviru, kdy za úspěchem stojí třicet let výzkumů RNA. Dalším příkladem může být přelomový lék Spinraza pro léčbu spinální svalové atrofie, který na úrovni RNA umí opravit chybu způsobující onemocnění. „I když se jedná o nejdražší lék v historii lidstva, funguje neuvěřitelně dobře a zachránil již mnoho dětí,“‎ uvádí vědec a dodává, že výzkum RNA se v posledních deseti letech výrazně posunul od základního popisu k možnému praktickému využití a léčbě dědičných onemocnění. Nemocí, které souvisí s chybným RNA sestřihem nebo by šly ‚opravit‘ na úrovni RNA, je totiž mnohem více. „Většina mých kolegů zabývajících se RNA má ‚svoji nemoc‘, na kterou se specializují,“‎ říká Staněk, jehož tým zkoumá dědičné onemocnění retinitis pigmentosa, kdy chyba při skládání sestřihového komplexu způsobuje odumírání oční sítnice vedoucí ke slepotě.

„Studium molekulární biologie je komplikované – buňka nemá logiku, je to obrovský chaos, který vznikl evolučním vývojem po miliardy let. Přesto funguje a je důležité snažit se ho poznat i na úrovni těch nejmenších detailů, které zdánlivě nemají praktické využití, ale nikdy nevíme, kdy je budeme potřebovat,“‎ uzavírá David Staněk.

Chcete se o RNA dozvědět více? Doporučujeme krátkou popularizační knihu RNA – temná hmota v našich buňkách, kterou napsal David Staněk a vyšla v edici Věda kolem nás Nakladatelství Academia, kde je i zdarma ke stažení.