Od Michaela Yudella, MPH, Americké přírodovědné muzeum
a Roba DeSalla, Ph.D., American Museum of Natural History
Gregor Mendel, pioneer of genetics and far far farish in the collegiate church at Altbrünn, located in the Czech Republic.
Když pokusy rakouského mnicha Gregora Mendela v polovině 19. století vedly k objevu základních mechanismů dědičnosti, zrodila se věda genetika a lidstvo učinilo první malé krůčky k rozluštění genetického kódu. Mendel pomohl nastartovat zlatý věk, kdy se vědci na celém světě zabývali biologickými základy dědičnosti. Století úžasného pokroku
Od té doby se těžiště vědeckého zkoumání přesunulo od Mendela k molekulám a od genetiky – studia jednotlivých genů a způsobu předávání vlastností mezi generacemi – ke genomice, studiu celého souboru DNA (deoxyribonukleové kyseliny) organismu. Dnes této oblasti dominuje projekt lidského genomu, mezinárodní výzkumné konsorcium, které v červnu 2000 dokončilo první návrh lidského genetického kódu. Konečný produkt – kompletní sekvence všech 3,1 miliardy párů bází DNA obsažených téměř v každé lidské buňce – je zašifrovaným plánem lidského života.
Chcete-li pochopit množství dat obsažených v lidském genomu, představte si 58 newyorských telefonních seznamů psaných písmeny A, C, T a G. ©AMNH
Nikdo nemohl tušit, že pouhé století po Mendelovi začnou vědci ovládat samotnou molekulu DNA. Jak jsme k tomuto bodu dospěli? Jak věda pokročila od úvah o mechanismech dědičnosti v nejširších souvislostech přes pochopení, že geny jsou základními jednotkami dědičnosti, až po rozluštění a konečně manipulaci s kódy DNA, které jsou základem veškerého života na Zemi? Je to příběh vytrvalosti, intuice a obyčejného štěstí.
Od rostlin hrachu k ovocným muškám
V době Mendelových objevů se většina biologického myšlení, podnícená vydáním knihy Charlese Darwina Původ druhů v roce 1859, zabývala řešením hádanek evoluce. Mendelova práce, publikovaná v obskurním vědeckém časopise, téměř 40 let zapadala prachem. Pozoruhodné je, že ji v roce 1900 znovu objevili tři botanici pracující v různých laboratořích v Evropě. Během prvních desetiletí 20. století byla genetika rostlin nahrazena výzkumem hmyzu a živočichů a Mendelovy základní zákony – které vysvětlují, jak se znaky přenášejí z generace na generaci – byly testovány na široké škále druhů.
Drosophila melanogaster (známá také jako ovocná muška), která je úžasně plodná a má pouze čtyři páry chromozomů, je již téměř sto let pracovním koněm genetiků. Od počátku minulého století začal Thomas Hunt Morgan a jeho studenti na Kolumbijské univerzitě šlechtit ovocné mušky po statisících. V té době ještě neexistovala terminologie, kterou dnes nazýváme genetikou. Botanik William Bateson pojmenoval tento obor v roce 1906 a o tři roky později německý biolog Wilhelm Johannsen vytvořil termín “gen”.
V roce 1910 se v Morganově laboratoři objevil osamělý muší sameček s bílýma očima. Morgan, dříve kritický k Mendelovým teoriím, je začal přijímat, když dokázal přesně popsat přenos tohoto znaku napříč generacemi. Takový znak nazval mutací. Morgan využil mutace k tomu, aby překročil zákony, které řídily dědičnost, a zkoumal konkrétní mechanismy – samotné geny -, které tento proces provádějí. Nalezením a vyšlechtěním stovek viditelných mutantů, včetně mutantů s odchylkami ve zbarvení těla a tvaru křídel, se mu a jeho spolupracovníkům podařilo vytvořit chromozomové mapy, které ukazovaly, kde na každém ze čtyř chromozomů drozofily leží určité geny – šlo o ranou mapu genomu ovocné mušky.
Eugenika – temná stránka genetické teorie
Zatímco se vědecké myšlení o genetice v prvních třech desetiletích 20. století soustředilo na práci Morgana a jeho kolegů, ve veřejném diskurzu dominovala skupina mužů a žen známých jako eugenici. Eugenika je věda o zlepšování vlastností lidstva pomocí selektivního šlechtění. Hnutí eugeniky, živené protiimigračními náladami a vírou v genetickou nadřazenost některých ras, podněcovalo rasovou nenávist a vedlo k diskriminačním zákonům a sterilizaci přibližně 30 000 údajně “slabomyslných” Američanů. Naštěstí eugenika zmizela ze světel reflektorů téměř stejně rychle, jako se objevila, což urychlily hrůzy holocaustu a pokroky v genetice a evoluční a populační biologii.
Molekulární genetika přebírá klasickou genetiku
Když někteří biologové vytvořili matematický rámec pro způsob, jakým se znaky předávají z generace na generaci, jiní se snažili určit chemické složky jakéhokoli dědičného materiálu. Někteří zůstávali u přesvědčení, že znaky mezi generacemi přenášejí bílkoviny, zatímco jiní tvrdili, že základními stavebními kameny života jsou nukleové kyseliny. V roce 1944 série důmyslných pokusů, které provedli tři američtí biologové na bakterii pneumokoka (způsobující zápal plic), prokázala, že geny jsou tvořeny DNA. Tento objev rozpoutal to, co evoluční biolog Ernst Mayr nazval “skutečnou ‘lavinou’ výzkumu nukleových kyselin”, protože biochemici spěchali, aby odhalili fyzikální strukturu a chemické vlastnosti DNA.
Vstup do dvojité šroubovice
V 50. letech 20. století vědci v Cavendishových laboratořích v anglické Cambridgi vyvinuli rentgenovou krystalografii, technologii, která umožnila interpretovat trojrozměrnou strukturu krystalizované molekuly. Díky ní mohli Maurice Wilkins a Rosalind Franklinová pořídit “snímky” DNA, které v roce 1953 použili James Watson a Francis Crick k sestavení svého dnes již slavného modelu: zjistili, že DNA má tvar spirálového schodiště neboli dvojité šroubovice.
Jeden z původních modelů Watsona a Cricka pro strukturu DNA, vystavený na výstavě AMNH “The Genomic Revolution”. Roderick Mickens ©AMNH
Největší síla Watsona a Cricka spočívala ve schopnosti sladit svůj model se stávajícími vědeckými poznatky. Již v roce 1933 Thomas Hunt Morgan upozornil, že “mezi genetiky neexistuje jednotný názor na to, co jsou geny – zda jsou skutečné, nebo čistě fiktivní”. Morgan, který pracoval na základě instinktu, si nemohl být jistý, že jeho genové mapy jsou něčím víc než pouhým honem na divokou husu. Ale počínaje objevem z roku 1944, že DNA je skutečně “látkou” dědičnosti, se existence genů stávala stále méně teoretickou. Watsonův a Crickův objev skutečné fyzikální struktury DNA konečně vytvořil mezi genetiky konsenzus, že geny jsou skutečné. Když už byly základy dědičnosti vyřešeny, začali jejich následovníci zkoumat a manipulovat s genetickými procesy na molekulární úrovni.
Hlouběji do buňky
Dalšími významnými hráči na molekulární úrovni jsou bílkoviny – struktury, které jsou tvořeny aminokyselinami a které řídí funkci buňky. V 50. letech 20. století přišel chemik Fred Sanger na to, jak určit pořadí aminokyselin v daném proteinu. To, že se bílkoviny skládají z lineárních řad dvaceti aminokyselin a geny z lineárních řad čtyř nukleových kyselin neboli bází (DNA), mohlo znamenat jediné. Nějaký kód spojoval informace v DNA s výrobou bílkovin. Přísné myšlení a experimenty potřebné k vyřešení této hádanky přilákaly některé z největších vědeckých mozků působících v polovině století.
V šedesátých letech 20. století Crick a chemik Sydney Brenner určili, jak DNA dává buňkám pokyn k výrobě konkrétních bílkovin: jiná trojice bází v DNA – tzv. kodony – kóduje každou z dvaceti aminokyselin, z jejichž řetězců se staví různé bílkoviny. Během několika následujících let byly identifikovány další a další kodony a nakonec se ukázalo, že kód je stejný u všech organismů, od kapradin po plameňáky.
Biochemici mezitím rozebírali buňku, aby zjistili, jak se replikuje DNA, jak se syntetizují bílkoviny a jakou roli hrají enzymy. V roce 1958 Arthur Kornberg a Severo Ochoa jako první syntetizovali molekuly DNA ve zkumavce. Poté objevili širokou škálu enzymů a proteinů důležitých pro replikaci DNA a translaci proteinů. Jiní se zabývali manipulací s bakteriemi, aby urychlili analýzu DNA a genů. V roce 1972 byla vynalezena technologie nazvaná rekombinantní DNA – vystřižení DNA z jednoho organismu a její vložení do DNA jiného – a vznikl tak obor genového inženýrství. Tento nesmírně důležitý vývoj umožnil klonování a modifikaci genů a položil základ moderní biotechnologie. Například kolonie bakterií se nyní používají k ekonomické výrobě inzulínu a lidského růstového hormonu.
Nejnovější PCR stroj, DNA Engine Tetrad, amplifikuje cílovou sekvenci DNA na více než milion kopií během několika hodin. Meg Carlough ©AMNH
Vyvinuly se také technologie, které vědcům umožnily vidět konkrétní sekvence DNA a manipulovat s nimi. Zásadním průlomem byl vynález polymerázové řetězové reakce (PCR) Kary Mullisem v roce 1983, což je proces, který během několika hodin vytvoří biliony kopií určeného úseku DNA. PCR změnila molekulární biologii tím, že vytvořila genetický materiál v dostatečně velkém množství umožňujícím experimentování.
Všechny tyto objevy připravily půdu pro první sekvenování celého genomu, genomu malého viru zvaného PhiX0174, v roce 1977. Samotná sekvence odhalila mnoho neznámých o genech a genové struktuře, což bylo téma, které se opakovalo stále dokola, když byly sekvenovány další genomy: bakterie v roce 1995, první vyšší organismus, škrkavka C. elegans, v roce 1998, ovocná muška v březnu 2000 a o tři měsíce později člověk.
Přesun za hranice genomu
Nyní, když byl osekvenován lidský genom, se důraz přesouvá na proteomiku: studium všech proteinů, které geny kódují. Přibližně 30 000 genů definovaných v rámci projektu lidského genomu znamená 300 000 až 1 milion proteinů. Zatímco genom je relativně stálý, proteiny v každé konkrétní buňce se dramaticky mění, protože geny se zapínají a vypínají v reakci na prostředí a řídí úžasnou škálu biologických funkcí s vynikající přesností.
Molekulární biologové nyní začínají odhalovat složité způsoby, jakými geny interagují mezi sebou navzájem a s prostředím, aby vytvořily množství výsledků. Nadále shromažďujeme a analyzujeme informace o lidských i nelidských genomech ohromujícím tempem.
Rizika a přínosy genetických technologií
Schopnost manipulovat s DNA nás činí schopnými napáchat nesmírné škody sobě i svému okolí, stejně jako skýtá obrovský příslib pro zlepšení našich životů dosud netušenými způsoby. Nové technologie mohou zvýšit potenciál genetické diskriminace a narušení genetického soukromí. Někteří se obávají důsledků změn genomů různých rostlin a živočichů pro životní prostředí. S růstem našich dovedností a znalostí se musíme důkladně zamyslet nad tím, jak se s takovými možnými důsledky vypořádat.
Není však pochyb o tom, že genomické technologie změní náš život k lepšímu. Srovnávací genomika, která porovnává sekvence celých genomů řady organismů, posune naše chápání světa přírody a role, kterou geny hrají ve složitých lidských onemocněních. Například myši mají mnoho genových sekvencí shodných s lidmi, ale funkce genů se často liší. Porovnáním funkce genů mezi myší a člověkem nebo mezi člověkem a jinými druhy začneme odhalovat mnoho genetických záhad. Technologie microarray, která vědcům umožňuje porovnávat desítky tisíc genů najednou, slibuje odhalit genetické kořeny nemocí a zlepšit naši schopnost je léčit. Nový obor farmakogenomiky zahájí éru personalizované medicíny. Například pacienti s rakovinou budou dostávat léčbu šitou na míru jejich specifickému stavu, místo aby podstupovali neúčinnou a vysilující léčbu. Možná dokonce nastane doba, kdy genetici začnou manipulovat s našimi geny, aby prodloužili délku lidského života a vytvořili skutečnou fontánu mládí. A konečně, jak budeme sekvencovat genomy stále většího počtu druhů, prohloubí se naše chápání stromu života a našeho místa ve světě přírody.
Při úvahách o mechanismech a významu dědičnosti si vědci před sto lety kladli otázku: “Mohli bychom?”. Mohli jsme, a také jsme to udělali. A sekvencování lidského genomu je dalším milníkem na odvěké cestě za pochopením našeho původu a rozluštěním našeho biologického osudu.
.