Sdílet
15. července 2021
Tisková zpráva;
Biologie telomer patří ke žhavým výzkumným tématům vzhledem ke své relevanci k buněčnému stárnutí a nesmrtelnosti, ale také díky své úloze ve stabilitě genomu a rozvoji závažných lidských onemocnění včetně rakoviny. Autorský tým z institutu CEITEC Masarykovy univerzity a Biofyzikálního ústavu AV ČR, pod vedením Petra a Jiřího Fajkuse, v těchto dnech publikoval vědeckou studii, v níž podstatně rozšířil okruh organismů se známou RNA podjednotkou telomerázy, a objasnil tak společný původ telomerázových RNA u rostlin, řas i evolučně vzdálenějších jednobuněčných organismů, jako jsou např. nálevníci nebo rozsivky. Dostali se tak dále do minulosti a také hlouběji ke kořenům fylogenetického stromu eukaryot. Jejich převratná vědecká studie, která přinesla zcela nové poznatky o evoluci klíčové eukaryotické nekódující RNA v časovém rozpětí více než miliardy let, byla publikována v prestižním odborném časopise Nucleic Acids Research.
Telomeráza je komplex, který dokáže v buňkách kompenzovat zkracování konců chromozomů (telomer) v důsledku jejich neúplného kopírování před každým buněčným dělením. Bez telomerázy se chromozomy zkracují při každém jejich kopírování, tedy v každém buněčném cyklu. Aktivita telomerázy proto souvisí s tím, zda je počet možných dělení buněk omezený, či neomezený. Buňky s aktivní telomerázou jsou v tomto smyslu nesmrtelné. Neomezený počet dělení je typický například pro lidské kmenové buňky, nádorové buňky nebo buňky rostlin. Většina lidských somatických buněk nemá telomerázu aktivní a má tedy jen omezený počet dělení buněk. To je důvod, proč naše buňky, tkáně i celý náš organismus stárnou. Pokud by vědci přesně rozuměli tomu, jak je aktivita telomerázy regulovaná, odhalili by biologické tajemství nesmrtelnosti. Profesor Jiří Fajkus se se svým týmem již přes 25 let zabývá problematikou telomer a telomerázy a byl prvním na světě, kdo v roce 1996 popsal aktivitu telomerázy u rostlin.
Cesta k objevu: dál do minulosti, hlouběji ke kořenům
Základní součástí telomerázy je telomerázová RNA podjednotka, označovaná krátce jako TR, která poskytuje předlohu (templát) pro syntézu DNA na koncích chromozomů – telomer. TR slouží také jako lešení pro sestavení celého komplexu telomerázy vazbou telomerázové reverzní transkriptázy (TERT) a dalších bílkovin. Templátová oblast TR je také klíčovým místem, kterým se telomeráza váže ke koncům telomer, které pak prodlužuje. „Sekvenci templátové oblasti TR lze proto odvodit od sekvence telomer, se kterou se přitom páruje a která se na jejím základě syntetizuje. Před dvěma lety jsme charakterizovali TR v rámci evolučního stromu všech cévnatých rostlin. Tehdy jsme zjistili, že geny pro rostlinné TR přepisuje z DNA do RNA nikoli RNA polymeráza II, jako je tomu např. u člověka a dalších živočichů nebo kvasinek, nýbrž RNA polymeráza III, a že tento přepis řídí krátká oblast DNA, zvaná promotor, v tomto případě tzv. promotor typu 3. Ten se skládá z motivů zvaných USE a TATA a je v rámci cévnatých rostlin konzervativní, tedy velmi podobný. Bylo proto možné jej použít spolu s předpokládanou sekvencí templátové oblasti TR jako znak pro vyhledávání genů pro TR,“ objasňuje svůj výzkumný záměr Petr Fajkus, první autor vědecké studie.
V nově publikované práci se autoři pustili do charakterizace TR nejen u evolučně vzdálenějších „sourozenců“ a předchůdců vyšších rostlin, např. mechorostů a řas, ale také ještě vzdálenějších organismů, jako jsou například jednobuněční nálevníci, kteří spolu s rostlinami sdílejí tzv. fylogenetickou megaskupinu, v tomto případě zvanou Diaphoretickes. „To znamená, že před více než miliardou let měly organismy z této megaskupiny společného předka (viz obrázek). Vzhledem k velkým rozdílům v sekvencích TR i promotorů v rámci tak širokého rozpětí organismů však nebylo možné vyhledávat TR u těchto organismů jednoduše na základě sekvenční podobnosti TR a jejich promotorů. Proto jsme vymysleli následující postup: nejprve zjistit, jak přesně vypadá promotor typu 3 v genomech určité užší skupiny organismů a následně tuto sekvenci použít společně s předpokládanou sekvencí templátové oblasti v TR k identifikaci TR. Naštěstí se promotor typu 3 vyskytuje, kromě předpokládané TR, také u řady malých jaderných RNA, které se podílejí např. na sestřihu RNA, tedy vystřihování nekódujících úseků (intronů) z RNA vzniklé přepisem genů. Geny pro tyto RNA jsou v řadě případů popsány nebo alespoň přístupné identifikaci ze sekvenčních dat, protože jejich konzervativnost je přece jen vyšší než u samotných TR. Z genů pro tyto RNA byla tedy zjištěna přesná struktura promotoru a následně byly vyhledávány oblasti genomu obsahující v určité vzdálenosti od takového promotoru předpokládanou templátovou sekvenci TR,“ popisuje Petr Fajkus svou unikátní výzkumnou strategii.
Jakmile byly tímto způsobem identifikovány první kandidátní TR, vyhledávání dalších TR u blíže příbuzných organismů bylo již možné buď přímo na základě sekvenční homologie, nebo pomocí tzv. kovariančních modelů. Ty berou v úvahu i konzervativnost sekundární struktury hledané RNA, která obsahuje řadu oblastí, kde jednovláknová RNA vytváří sama se sebou různé typy smyček. Nakonec bylo zapotřebí potvrdit experimentálně existenci a funkčnost u vybraných kandidátních TR. Experimenty u mechu Physcomitrium patens (čepenka odstálá), provedené ve spolupráci s Dr. Marcelou Holou z Ústavu experimentální botaniky AV ČR, jednoznačně potvrdily, že nově charakterizované TR jsou skutečnými podjednotkami telomerázy. Navíc strukturní modelování získaných TR ve spolupráci s Dr. Andrew Nelsonem z Cornell University, USA, potvrdilo, že základní strukturní motivy TR napříč megaskupinou Diaphoretickes jsou skutečně pozoruhodně konzervativní.
Tyto výsledky tak přinášejí zcela nové poznatky o evoluci klíčové eukaryotické nekódující RNA v časovém rozpětí více než miliardy let a posunují hranice lidského poznání o původu telomerázy, která zaručuje buněčnou nesmrtelnost. „Není bez zajímavosti, že tento původ úzce souvisí s jiným milníkem evoluce eukaryot – sestřihem RNA,“ dodává Jiří Fajkus.
Výzkum byl podpořen Grantovou agenturou České republiky (projekt 20-01331X) a Evropským fondem regionálního rozvoje (projekt SYMBIT CZ.02.1.01/0.0/0.0/15 003/0000477).
Autorka