Jedno z tajemství cibule, česneku a dalších rostlin z rodu Allium odhalili nedávno vědci z Mendelova centra genomiky a proteomiky rostlin, které je součástí Ceitecu MU. Na rozdíl od většiny rostlin totiž mají neobvyklé sekvence takzvaných telomer, neboli konců chromozomů, které zajišťují stabilitu celého genomu. Až do letoška však nikdo nepopsal, jak vlastně jejich telomery vypadají.
Chromozomy jsou komplexní útvary bílkovin a lineární DNA, která nese genetickou informaci organismu. Ve zdravé buňce zpravidla bývá přesný počet chromozomů určitého tvaru a délky. Poměrně často se chromozomy poškodí nebo dokonce úplně zlomí, ale buňky disponují mechanismy, které dokážou tato poškození opravit. A právě tehdy se projevuje funkce telomer, které pomáhají buňce odlišit přirozené konce chromozomů od neopravených zlomů pomocí specifické sekvence telomerové DNA a k ní navázaných telomerových proteinů.
Vzdáleně tak telomery připomínají zapečetěné konce tkaniček, které člověka navedou k tomu, které konce v případě přetržení má provizorně svázat, a současně zajišťují, aby se ten skutečný konec netřepil a celkově fungoval, jak má. Telomerové sekvence obsahují podobně jako zbytek genomové DNA báze thymin (T), adenin (A), guanin (G) a cytosinu (C), a jsou typické tím, že se v nich mnohokrát za sebou opakují krátké sekvenční motivy sestavené z těchto stavebních prvků. „Například u člověka a ostatních obratlovců je to zatím výhradně šestinukleotidový motiv TTAGGG a u valné většiny rostlin pak sedminukleotidová repetice TTTAGGG. Na rozdíl od obratlovců se ale u rostlin už našly tři evoluční větve, kde je to jinak,“ uvedl vedoucí výzkumného týmu Jiří Fajkus.
První odlišnost, tj. ztrátu typické rostlinné telomerové sekvence, odhalili němečtí odborníci v roce 1995 právě u rostlin z čeledi česnekovitých. Až do letošního roku ale nikdo nepopsal, jak vlastně jejich telomery vypadají. V letech 2000–2003 byl identifikován první alternativní rostlinný telomerový motiv, shodou okolností stejný, jako známe z obratlovců včetně člověka, tedy TTAGGG.
„Vyskytuje se ve stejné evoluční větvi jako česnek a cibule ale v jiných rodech, například u rostlin v čeledi kosatcovitých, chřestovitých a dalších, z obecně známých třeba u Aloe vera. U kterých čeledí ke změnám došlo, jasně popsala moje dřívější školitelka Eva Sýkorová kolem roku 2003. Samotný rod Allium, tedy česnek, cibule, pórek, pažitka atd., byl ale v tomto směru charakterizován až letos. Oproti převažujícímu typu má sekvenční jednotka u těchto rostlin dvanáct nukleotidů, CTCGGTTATGGG. Loni jsme popsali ještě další odlišnou telomeru, a to u okrasného keře původem z Jižní Ameriky Cestrum elegans (kladivník ozdobný), která má ve svém motivu deset nukleotidů TTTTTTAGGG,“ uvedl vedoucí projektu neobvyklých telomer Vratislav Peška. Doplnil, že v roce 2015 byla popsána za účasti Fajkusova týmu ještě jedna netypická telomera s motivy TTCAGG/TTTCAGG, u severoamerických masožravek rodu Genlisea, a tím se výčet výjimek u vyšších rostlin zatím uzavírá. Další výjimky lze ale pravděpodobně očekávat u řas.
Znalost koncové části chromozomů může posloužit mimo jiné při genetických úpravách rostlin. „Šlechtitelé se například snaží přidat do genomu česneku odolnost vůči rzi, a to tak, že kříží příbuzné rostliny různých druhů i rodů. Tento postup by se dal výrazně zjednodušit a zrychlit vytvořením chromozomu, v němž by odolnost byla už zabudovaná. Bez znalosti koncové telomerové sekvence ale zatím nešlo tyto postupy u rodu Allium využívat,“ uvedl první autor studie Petr Fajkus.
Spíš než okamžitý praktický dopad však mají mimořádné výsledky týmu, jehož práce o alternativních telomerách zveřejnil v roce 2015 a 2016 prestižní časopis The Plant Journal, význam pro další výzkum evoluce a funkce telomer a jejich významu pro vznik nových druhů. „Česnek je evolučně nejmladší z řádu rostlin, kde se odlišné telomery vyskytují. V daleké minulosti tedy muselo dojít v linii vedoucí k česneku nejméně dvakrát ke změně telomerové sekvence, což je ale pokaždé obrovský zásah do organismu, kterému se musí přizpůsobit celý systém fungování buňky, především pak bílkoviny rozpoznávající sekvenci telomer a zajišťující jejich ochrannou funkci. Zajímá nás, jak česnekovité rostliny takovou změnu přežily a proč, jak se zdá, jsou některé evoluční větve k těmto změnám náchylnější (možná i odolnější) zatímco jinde by znamenaly slepou uličku,“ uvedl profesor Jiří Fajkus.
Jeho tým se proto bude v návaznosti na nové poznatky zajímat o telomerázu, tedy enzym, který telomery v podstatě vytváří. Telomeráza se skládá jednak z bílkoviny, která zajišťuje zpětný přepis genetické informace z RNA do DNA, a z vlastní RNA podjednotky, která svou malou oblastí slouží jako předloha pro sekvenci telomery. „Domníváme se, že ke změně došlo právě na úrovni RNA podjednotky,“ upřesnil Petr Fajkus a doplnil, že ta byla v rostlinné biologii zatím popsána jen u jediného rostlinného druhu, a to huseníčku rolního.
„Nedokážeme samozřejmě říct přesně, kdy a co se v evolučním vývoji u česneku stalo, ale můžeme dedukovat srovnáváním například cibulové RNA podjednotky s jinými rostlinami, ale to až díky dalšímu výzkumu. Chceme zjistit, jaká je molekulární příčina změny a jak se tomu přizpůsobila buňka, ale v tom jsme teprve na začátku,“ doplnil Peška.
Kromě poodhalení záhady telomer u česneku a kladivníku se vědci z Ceitecu MU zasloužili také o zavedení nové metody výzkumu telomer. Rostliny, které zkoumali, mají totiž mnohonásobně větší genom a menší počet chromozomů (tedy i počet telomer) než člověk, a jeho kompletní přečtení za účelem zjištění telomer by bylo časově a hlavně finančně velmi nepřiměřené s nejistým výsledkem.
Kladivník se svými 9–12 miliardami bází v jedné sadě 8 chromozomů má genom asi tři až čtyřikrát větší než člověk (cca 3 miliardy, 23 chromozomů), cibule kuchyňská, která patří mezi česnekovité, je ještě o něco větší (16 miliard, 8 chromozomů) a nakonec česnek medvědí má přibližně desetkrát větší genom než člověk (cca 30 miliard nukleotidů, 7 chromozomů). Telomery, které byly cílem hledání, jsou zde tedy poměrně malou částí těchto velkých genomů.
„Zkombinovali jsme proto dva přístupy. Vysoce paralelní sekvenování a koncové štěpení DNA. Místo kompletní genomové sekvenace, tedy přečtení celého genomu, jsme hledali jen repetice, tedy sekvence, které se v genomu opakují, a doufali jsme, že mezi nimi bude i ta telomerová. Repeticí bývá ale v genomu hodně a ve skutečnosti tvoří mezidruhové rozdíly ve velikosti genomů. Proto jsme u souběžně analyzovaného vzorku stejné DNA použili enzym, který umí koncové části chromozomů postupně odbourávat. Porovnáním výsledků jsme pak přišli na to, které sekvence byly použitým enzymem odbourávány u druhého vzorku a představují pravděpodobnou telomeru,“ popsal způsob zkoumání Peška a dodal: „Výsledek jsme pak zpětně ověřili klasickými přístupy používanými v biologii telomer, jako je analýza koncových restrikčních fragmentů DNA, fluorescenční hybridizace in situ (tedy přímo na chromozomech) a především sekvenční analýzou produktů, které přímo ve zkumavce vytvářejí telomerázy těchto rostlin.“ Doplnil, že takto pracovali s jedenácti druhy rostlin a nakonec dospěli k sekvenci, která byla shodná pro všechny analyzované druhy rodu Allium.
