Geny a chromozomy 3: geny, bílkoviny a mutace

Úvod

Předloha pro stavbu a fungování lidského těla je uložena v sekvencích deoxyribonukleové kyseliny (DNA) zvaných geny. Tato genetická informace se používá k tvorbě bílkovin s různými funkcemi, od strukturálních bílkovin nezbytných pro stavbu svalů, kostí a kůže až po enzymy, které katalyzují biochemické reakce nezbytné pro přežití organismu. Chyby v lidském genetickém kódu, které se nazývají mutace, někdy vedou k tvorbě abnormálních bílkovin, které mohou způsobit onemocnění, včetně autoimunitních chorob a zhoubných nádorů.

Bílkoviny

Bílkoviny jsou nezbytné pro stavbu i funkci lidského těla. Tyto složité makromolekuly jsou postaveny ze stavebních kamenů zvaných aminokyseliny, jednoduchých organických sloučenin obsahujících karboxylovou (-COOH) a aminoskupinu (-NH2). V přírodě se vyskytuje 20 aminokyselin (rámeček 1); další varianty lze vyrobit synteticky v laboratoři.

Aminokyseliny

Pro efektivní fungování, musí lidské buňky neustále vytvářet nové bílkoviny, aby nahradily starší, poškozené. To vyžaduje stálý přísun všech 20 aminokyselin. Během trávení trávicí trakt postupně rozkládá velké živočišné a rostlinné bílkoviny obsažené v potravě na polypeptidy, peptidy a nakonec na „volné“ aminokyseliny, které jsou schopny projít střevní stěnou a vstřebat se do krevního oběhu (VanPutte et al, 2017).

Přirozeně se vyskytující aminokyseliny (rámeček 1) se dělí do dvou kategorií:

• Esenciální – devět aminokyselin, které si lidské buňky nedokáží syntetizovat, a proto je musí získávat přímo z potravy;
• Nezásadní – 11 aminokyselin, které si lidské buňky mohou syntetizovat, pokud je jejich přímý přísun stravou nízký.

Tato terminologie může být matoucí, protože tzv. neesenciální aminokyseliny jsou ve skutečnosti esenciální pro stavbu bílkovin; termín se používá pouze pro označení skutečnosti, že nemusí být získávány z potravy.

Pokud je zajištěna dostatečná výživa prostřednictvím zdravé a vyvážené stravy, dostávají buňky aminokyseliny potřebné pro obrat bílkovin. Špatná strava, poruchy příjmu potravy, některé léky a proces stárnutí (který může snižovat chuť k jídlu) však mohou omezit dostupnost aminokyselin ve stravě, zejména devíti esenciálních. Tím se zhoršuje schopnost organismu nahrazovat bílkoviny, což může vést k úbytku svalové hmoty a onemocnění.

Bílkoviny

Bílkoviny tvoří největší organickou složku lidského těla a tvoří přibližně 50 % suché hmoty typické lidské buňky (Radivojec, 2013). Jsou syntetizovány v cytoplazmě buněk, kde jsou aminokyseliny spojovány peptidovými vazbami do dlouhých rozvětvených řetězců, jejichž počet se pohybuje od několika aminokyselin až po tisíce. Tyto aminokyselinové řetězce se dále skládají nebo stáčejí do jedinečných trojrozměrných konfigurací, které musí zaujmout, aby mohly plnit své určené role v těle (VanPutte et al, 2017).

Největší v současnosti známou bílkovinou v lidském těle je svalová bílkovina zvaná titin (neboli connectin), která se skládá z přibližně 33 000 aminokyselin. Funguje jako molekulární pružina a předpokládá se, že přispívá k síle svalové kontrakce (Powers et al, 2014).

Projekt lidského genomu ukázal, že člověk má necelých 20 000 strukturních genů kódujících jednotlivé proteiny. Každý gen však může dát vzniknout až 100 variantám proteinu, který kóduje, takže v lidském těle mohou být přítomny až dva miliony různých variant proteinů (Ponomarenko et al, 2016).

Mezi příklady běžných proteinů patří např:

• Aktin a myozin – kontraktilní bílkoviny, které se nacházejí ve svalech;
• Keratin – hustá bílkovina, která se nachází ve vlasech, nehtech a epidermis kůže;
• Kollagen – univerzální strukturální bílkovina (používá se například pro stavbu kostry chrupavek a kostí), která může existovat v různých vláknitých formách;
• Bílkovinné hormony, jako je inzulin nebo glukagon – obvykle v krátkých řetězcích nazývaných peptidy, které kolují v krvi a působí jako chemičtí poslové;
• Katabolické trávicí enzymy, jako je pepsin, trypsin a amyláza – pomáhají trávit a rozkládat makromolekuly potravy na jednoduché složky, které může tělo vstřebat;
• Anabolické enzymy, jako je DNA polymeráza, polymeráza ribonukleové kyseliny (RNA) a glykogen syntáza – podílejí se na stavbě molekul DNA, RNA a glykogenu (živočišného škrobu);
• Hemoglobin – podílí se na transportu kyslíku a oxidu uhličitého v červených krvinkách (erytrocytech);
• Protilátky, často nazývané imunoglobuliny – malé bílkoviny ve tvaru písmene Y, které hrají klíčovou roli v imunitním systému, vážou se na cizorodý materiál, čímž ho označují a ničí;
• Neurotransmitery – malé bílkoviny, které fungují jako chemičtí poslové v nervovém systému (například substance P);
• Receptory pro neurotransmitery – ty (například acetylcholinový receptor) přijímají zprávy od neurotransmiterů.

Ribosomy

Proteiny jsou v buňkách syntetizovány pomocí ribosomů, malých organel hustě uspořádaných a uložených v endoplazmatickém retikulu (ER) cytoplazmy. ER je systém zploštělých vzájemně propojených membrán a většina jeho povrchu je pokryta ribozomy, což mu dává drsný, nerovný vzhled, který vedl k označení této oblasti jako drsné ER. Zde ribozomy „překládají“ genetický kód tím, že sestavují aminokyseliny a vytvářejí tak bílkoviny (Lewis, 2018).

Ribozomy jsou většinou složeny ze specializované formy RNA zvané ribozomální RNA (rRNA), která je stabilizována malým množstvím bílkovin, jež také pomáhají sestavovat samotné ribozomy (De la Cruz et al, 2015). V jediné lidské buňce mohou v jednom okamžiku aktivně stavět proteiny tisíce ribozomů.

Od genů k proteinům

Strukturní geny obsahují sekvence DNA určující pořadí aminokyselin v proteinech. Řídicí (nebo regulační) geny řídí, které strukturní geny jsou v dané tkáni exprimovány („zapnuty“).

Využití genetické informace obsažené v DNA k vytvoření proteinů zahrnuje několik různých kroků:

• Transkripce;
• Posttranskripční modifikace;
• Translace;
• Posttranslační modifikace.

Transkripce

Genetická informace uložená v jádře buňky musí být doručena ribozomům v cytoplazmě. Uvnitř buněčného jádra existuje DNA ve formě obrovských dvoušroubovic. Molekuly DNA jsou příliš velké na to, aby mohly být předány přímo ribozomům, takže genetická informace uložená v DNA musí být zkopírována na menší, pohyblivější médium – tento proces se nazývá transkripce.

Při transkripci se genová sekvence kódující protein zkopíruje z dvouvláknové DNA na jednovláknovou RNA (obr. 1). Molekuly jednořetězcové RNA jsou mnohem menší než molekuly DNA, a proto mohou procházet malými póry jaderné membrány. Úkolem molekuly RNA bude doručit instrukce pro stavbu bílkovin do ribozomu. Protože tato forma RNA přenáší informace z jádra do cytoplazmy, nazývá se messengerová RNA (mRNA).

Stejně jako DNA je i RNA sestavena z nukleotidových bází, ale na rozdíl od DNA nemá thyminovou bázi. V RNA je thymin nahrazen jinou nukleotidovou bází zvanou uracil. Pravidla párování bází při transkripci se proto mírně liší od pravidel párování bází při replikaci DNA (rámeček 2).

Proces transkripce DNA je velmi podobný procesu replikace DNA (viz část 2) a zahrnuje následující kroky:

• Enzym RNA polymeráza se naváže na začátek genové sekvence DNA (nazývané také promotorová sekvence);
• RNA polymeráza rozvine malou část dvojité šroubovice DNA, aby se stala jednovláknovou (proces je často popisován jako obdoba rozepínání zipu) – malá oblast rozvité jednovláknové DNA se nazývá transkripční bublina (VanPutte et al, 2017);
• Pouze jedno z odhalených vláken DNA obsahuje užitečnou informaci pro konstrukci proteinu – toto vlákno se použije jako šablona pro transkripci;
• RNA polymeráza syntetizuje komplementární vlákno mRNA pomocí pravidel párování bází při transkripci.

Rámeček 3 ukazuje příklad transkripce.

Posttranskripční modifikace

Ne všechny informace zakódované ve vláknech mRNA jsou užitečné pro konstrukci proteinu. Nově přepisované vlákno RNA se skládá ze dvou prvků:

• Exony – sekvence informací nezbytných pro stavbu proteinu, který má správné pořadí aminokyselin;
• Introny – sekvence, které přerušují sekvence kódující exony a obvykle neobsahují informace užitečné pro stavbu proteinu. Kdysi byly introny považovány za nepotřebné sekvence, nyní se má za to, že hrají roli při regulaci genové exprese (Chorev a Carmel, 2012).

Introny je třeba vystřihnout a exony spojit, aby vznikla souvislá „vysoce věrná“ sekvence mRNA: toto stříhání a spojování – nazývané posttranskripční modifikace – provádějí enzymy v jádře. Tento proces je znázorněn na obr. 2.

Příroda genetického kódu

Genetický kód je triplet tří dusíkatých bází kódující jednu aminokyselinu. Jelikož se v přírodě vyskytuje 20 aminokyselin, tři báze umožňují, aby každá aminokyselina byla zastoupena jedním tripletem kódu (a některé jsou zastoupeny vícekrát). Tripletový kód také umožňuje zakódovat do vlákna mRNA instrukce „start-and-stop“, takže ribozomy vědí, kdy začít a kdy ukončit stavbu bílkoviny.

Každý řetězec tří bází (tripletový kód) na vlákně mRNA se nazývá kodon. První kodon na každém vlákně mRNA je vždy „startovací“ kodon – nazývá se AUG – který dává ribozomu pokyn k zahájení syntézy bílkovin. Protože AUG kóduje také aminokyselinu methionin, je methionin první aminokyselinou začleněnou do bílkoviny – pokud není skutečně potřeba, bude později odstraněna (Xiao et al, 2010).

Samotné aminokyseliny jsou ribozomům dodávány molekulami transferové RNA (tRNA). Každé aminokyselině odpovídá jedinečná molekula tRNA a každá molekula tRNA má svůj jedinečný tripletový kód, který odpovídá kodonu na vlákně mRNA. Tyto sekvence tRNA doplňují kodony mRNA, a proto se nazývají antikodony (VanPutte et al, 2017).

Transkripce

Po transkripci a posttranskripční úpravě vzniká zralá, nepřerušovaná sekvence mRNA. Po vstupu do cytoplazmy se tato sekvence připojí k ribozomu a poté může být použita k syntéze bílkovin v procesu zvaném translace.

Překlad DNA (obr. 3) probíhá v řadě kroků:

• Vlákno zralé mRNA se připojí k ribozomu;
• Tři báze na vlákně mRNA (kodon) jsou vystaveny na ribozomu – například AUG (kodon „start“, který zároveň kóduje methionin);
• Molekula tRNA dorazí k ribosomu, zarovná svůj antikodon s kodonem na vlákně mRNA a dodá odpovídající aminokyselinu – například pro „startovací“ kodon AUG dodá odpovídající antikodon UAC methionin;
• Vlákno mRNA se posune podél ribozomu o tři báze a odhalí další kodon, pak dorazí další molekula tRNA se svým komplementárním antikodonem a dodá další aminokyselinu;
• Mezi každou sousední aminokyselinou se vytvoří peptidové vazby a začne se tvořit bílkovinný řetězec;
• Vlákno mRNA pokračuje v postupu podél ribozomu vždy o tři báze a postupně odhalí každý kodon. Molekuly tRNA s odpovídajícími antikodony pokračují v dodávání aminokyselin, peptidové vazby se nadále tvoří a proteinový řetězec se dále prodlužuje;
• Nakonec se na konci vlákna mRNA objeví „stop“ kodon (UAA, UAG nebo UGA) a syntéza proteinu se zastaví – proces translace DNA vytvořil surový protein.

Posttranslační modifikace

Surový protein je obvykle třeba upravit, než přijme svou konečnou 3D konfiguraci a začne plnit svou funkci v těle. K těmto modifikacím dochází v cytoplazmě v organele zvané Golgiho aparát (známý také jako Golgiho tělísko nebo jednoduše Golgiho aparát), který je často popisován jako „obalová a exportní oblast“ buňky.

Proteiny procházejí posttranslačními modifikacemi následujícím způsobem:

• Surová verze proteinu je zabalena do malého membránového váčku, přenosového vezikulu;
• Přenosový vezikul opouští drsné ER a migruje do Golgiho aparátu;
• V Golgiho aparátu je surový protein zušlechtěn, což často zahrnuje přidání zbytků cukru k řetězci aminokyselin prostřednictvím glykosylace (Huang a Wang, 2017) – mnoho proteinů v lidském těle jsou ve skutečnosti glykoproteiny (proteiny s přidaným cukrem);
• Zušlechtěný protein opouští Golgiho aparát a je buď použit v buňce, nebo zabalen do sekrečního váčku, aby byl exportován;
• Proteiny určené k exportu jsou z buňky vypuštěny, když jejich sekreční váček splyne s plazmatickou membránou.

Exportované proteiny mohou být buď lokálně využity ve tkáni, nebo transportovány krví do vzdálených oblastí těla. Například hormon inzulin, syntetizovaný v beta buňkách slinivky břišní, se při zvýšení hladiny glukózy v krvi uvolňuje přímo do oběhu. Funguje pak jako chemický posel, který se váže na receptory (což jsou samy o sobě bílkoviny) na mnoha lidských buňkách a dává jim pokyn, aby přijímaly glukózu, čímž normalizuje koncentraci glukózy v krvi.

Mutace

Pro správnou funkci musí mít bílkoviny správné sekvence aminokyselin, což nakonec závisí na tom, že genetický kód zůstává konstantní. V lidském genomu je však tolik nukleotidových bází (přibližně tři miliardy párů bází), že v něm nevyhnutelně dochází k chybám. Tyto chyby se označují jako mutace a mohou vést k produkci proteinů, které nemusí správně fungovat. Abnormální proteiny jsou spojeny s řadou onemocnění, včetně některých forem autoimunitních onemocnění a zhoubných nádorů.

Genetické mutace mohou vznikat náhodně po chybách v replikaci DNA (popsaných v 1. části tohoto seriálu), zejména s přibývajícím věkem; případně mohou být způsobeny faktory prostředí, které přímo poškozují molekuly DNA. Cokoli, co může poškodit DNA a vést k mutaci, se nazývá mutagen (VanPutte et al, 2017). Mnoho genetických mutací se vyskytuje v úsecích DNA, které nekódují proteiny (například v nekódujících intronech), takže obvykle mají malý vliv na fyziologickou funkci.

Mezi faktory, o nichž je známo, že poškozují DNA, a tím zvyšují riziko mutace, patří:

• Zvyšující se věk;
• Znečišťující látky;
• Infekce – zejména virové infekce, protože viry často vkládají své geny do lidské DNA, čímž mohou přerušit genové sekvence;
• Radiace – například ultrafialové (UV) sluneční záření nebo rentgenové záření při lékařském zobrazování.

Je známo, že UV záření ze slunce (zejména UVB) poškozuje DNA v kožních buňkách. Pokud dojde k mutaci v kontrolních genech, které regulují dělení buněk, nebo v genech, které kódují enzymy opravující DNA, může být výsledkem nekontrolované dělení buněk a rakovina kůže (Hopkins, 2015). Přestože lidská kůže vystavená slunečnímu záření vytváří vlastní přirozenou ochranu proti UV záření v podobě melaninu (tmavého pigmentu, který opaluje kůži), vyčerpání ozonové vrstvy a nadměrný pobyt na slunci mohou vést ke škodlivým dávkám UV záření, které zvyšují riziko vzniku rakoviny kůže. Opalovací krémy poskytují lepší ochranu před UV zářením a bylo prokázáno, že významně snižují poškození kůže způsobené UV zářením a výskyt rakoviny kůže (Green a Williams, 2007).

Mutace, jako jsou ty způsobené UV zářením na DNA v kůži, se obvykle nepřenášejí z generace na generaci. Pokud však mutace postihnou zárodečné buňky varlat a vaječníků, mohou být zděděny potomky. V lidských zárodečných buňkách bylo zaznamenáno více než 100 000 mutací, z nichž mnohé jsou spojeny s běžnými dědičnými genetickými chorobami (Vipond, 2013; Cooper et al, 2010). Některými z nich se budeme zabývat ve čtvrtém a posledním článku této série.

.