Ostravští biologové pomohli odhalit důležitý moment v evoluci buněk

Spolupráce ostravských biologů s kolegy ve Francii a Kanadě významně posunula porozumění tomu, jak v evoluci vznikla eukaryotická buňka a její složitý molekulární aparát. Jejich výzkum přináší důležité zjištění, že rozdíly ve fungování prokaryotických a eukaryotických buněk jsou menší, než se dosud zdálo.

Odborný článek s výsledky své práce publikovali ostravští vědci v prestižním časopise Nature Microbiology. Jeho první autorkou je mladá vědkyně z týmu prof. Marka Eliáše dr. Romana Vargová a vznikl i díky podpoře projektu LERCO.

Buňky, základní stavební a funkční jednotky všeho života, jsou v zásadě dvojího typu. Dobře známé bakterie a záhadnější mikroorganizmy označované jako Archaea jsou představovány obecně jednoduššími prokaryotickými buňkami. Naproti tomu živočichové a rostliny (a také houby, řasy a prvoci) mají buňky s mnohem složitější organizací a označují se jako „eukaryotické“ (název odkazuje na přítomnost buněčného jádra). Není pochyb o tom, že všechny eukaryotické buňky jsou jednoho původu a vznikly z předků prokaryotického typu. Jak přesně se tak stalo je ale jednou z hlavních, jen zčásti zodpovězených otázek biologie. Jedním z dílčích úkolů je vysvětlit původ velkého množství proteinů (bílkovin) unikátních pro eukaryotické buňky.

Výzkumná skupina Marka Eliáše na Katedře biologie a ekologie Přírodovědecké fakulty OU se dlouhodobě věnuje zkoumání rozsáhlé skupiny proteinů, které podmiňují komplikovanou a dynamicky se měnící vnitřní strukturu eukaryotických buněk. Technicky se jim říká „GTPázy nadrodiny Ras“. Tyto proteiny fungují jako výkonné regulátory nejrůznějších molekulárních dějů v buňce a jejich funkce závisí na jejich schopnosti „přepínat“ mezi dvěma podobami. Důležitost proteinů této nadrodiny dokresluje fakt, že mutace jejího prvního objeveného zástupce, samotného proteinu Ras, jsou jedním z faktorů podmiňujících vznik řady nádorových onemocnění člověka.

Srovnávání proteinů Ras nadrodiny v různých eukaryotických organismech ukazuje, že již společný předek všech eukaryot – organismus existující před nějakou 1,5 miliardou let – disponoval bohatým repertoárem těchto proteinů (viz také dřívější publikace R. Vargové a M. Eliáše: A Eukaryote-Wide Perspective on the Diversity and Evolution of the ARF GTPase Protein Family).

Odkud se ale tyto proteiny vzaly? Klíčovým pro zodpovězení této otázky se stal deset let starý objev nové podskupiny mikroorganizmů říše Archaea nazvané „Asgard“ (neboli Asgardarchaeota; viz obrázek 1), v němž ústřední roli sehráli nizozemský mikrobiolog Thijs Ettema a jeho spolupracovníci. Ti a následně další výzkumníci tyto mikroorganismy podrobně charakterizovali a ukázali, že vykazují řadu znaků dříve známých jen z eukaryot. Skupina Asgard je tak podle všeho evoluční kolébkou eukaryotické buňky.

Rodící se obrázek o této evoluční provázanosti nyní významně doplnila studie realizovaná v rámci výzkumného programu „Molekulátní biologie a genomika“ projektu LERCO. Studie vznikla za spolupráce týmu M. Eliáše a kolegů ve Francii a Kanadě a zaměřila se právě na proteiny Ras nadrodiny, přesněji řečeno na jednu jejich podskupinu zvanou „Arf rodina“ (anglicky „Arf family“). Příslušný článek nese titul „The Asgard archaeal origins of Arf family GTPases involved in eukaryotic organelle dynamics“ a jeho ústředním sdělením je, že celá velká eukaryotická Arf rodina má svůj evoluční kořen mezi proteiny vyskytujícími se u asgardarcheí. Ba co víc, tito prokaryotičtí předkové eukaryot dokonce „vynalezli“ specifický molekulární mechanismus, který je pro proteiny Arf rodiny typický a byl dosud považovaný za výhradně eukaryotický. Podařilo se totiž ukázat, že přinejmenším někteří z nově rozpoznaných asgardarcheálních členů Arf rodiny – podobně jako jejich dávno známí eukaryotičtí příbuzní – v rámci svého funkčního cyklu mění svoji strukturu takovým způsobem, že dojde k „vyklopení“ koncové části proteinu, přes níž se pak celý protein přichytí buněčné membrány (viz Obrázek 2).

I když prozatím zůstává neznámou, k čemu proteiny Arf rodiny v buňkách asgardarcheí slouží, poznatky našich biologů a jejich zahraničních spolupracovníků přinášejí další důležitý doklad toho, že rozdíly ve fungování prokaryotických a eukaryotických buněk jsou menší, než se dosud zdálo.

Marek Eliáš k tomu dodává: „Naše nejnovější studie je krásnou ukázkou vědecké spolupráce napříč obory a kontinenty. Celý příběh začal již před více než patnácti lety, kdy jsem si při počítačových analýzách genomových sekvencí povšiml genů svědčících o existenci proteinů Arf rodiny v prokaryotech. Správná interpretace těchto prvotních pozorování ale byla možná až poté, co Thijs Ettema a kolegové ukázali existenci do doby neznámých asgardarcheí. Následoval masivní příval nových genomových dat, v nichž jsme se museli naučit orientovat a postupně je zpracovávat, abychom výskyt proteinu Arf rodiny řádně zmapovali. Vyžadovalo to obrovské úsilí a tyhle analýzy doslova „odmakala“ moje postdoktorandka Romana Vargová (Obrázek 3), a to při rodičovské dovolené! Je tak zaslouženou první autorkou celého článku. Ten by ale nikdy nevznikl, nebýt mého dlouholetého spolupracovníka Joela Dackse z University of Alberta v kanadském Edmontonu, který do party přibral dvě nové kolegyně, Julii Ménétrey z Université Paris-Saclay a Catherine Jackson z Université Paris Cité. Julie a její tým se postarali o detailní charakterizaci modelových zástupců asgardarcheální Arf rodiny pomocí staré dobré rentgenové krystalografie a laboratoř vedená Cathy dodala klíčové buněčně biologické experimenty. Z výsledku společného snažení máme velkou radost a doufáme, že naše spolupráce v budoucnu přinese další chutné plody.“

Obr. 1: První podrobně charakterizovaný představitel archeální skupiny Asgard, odborně zvaný Candidatus Prometheoarchaeum syntrophicum. Zdroj: Wikipedia (licence CC BY-SA 4.0)

Obr. 2: Schéma funkčního cyklu proteinů rodiny Arf. Protein přepíná mezi dvěma stavy, neaktivním (nahoře) se „zaklopenou“ koncovou částí (oranžový helix) a aktivním (dole), kdy je koncová část „vyklopena“ a zprostředkovává asociaci proteinu s buněčnou membránou. Převzato z Yorimitsu et al., Frontiers in Plant Sciences 2014 (https://doi.org/10.3389/fpls.2014.004110). Licence CC BY.

Obr. 3: Romana Vargová, postdoktorandka ve skupině M. Eliáše a první autorka článku.