Konce chromozómov

Elizabeth (Liz) Blackburnová odišla najprv študovať na Cambridge. Krátko pred ukončením magisterského štúdia sa stretla s Fredom Sangerom, geniálnym experimentátorom a dvojnásobným nobelistom, ktorý sa venoval vypracovaniu technológie na stanovenie poradia (sekvenovanie) stavebných jednotiek nukleových kyselín (nukleotidov) v DNA. Blackburnová pod Sangerovým vedením získala doktorát a naučila sa sekvenovať DNA. Svoje výsledky z toho obdobia však nepovažovala za výnimočne vzrušujúce a jej vedecká perspektíva bola relatívne hmlistá.

Do laboratória Josepha Galla prišla Liz ako dvadsaťsedemročná. Išlo o núdzové riešenie rodinnej situácie. Jej manžel, biofyzik John Sedat, si našiel miesto na Yale University a Gall bol v danom čase v New Heaven jediný, kto bol ochotný Liz prijať. 

Tento moment sa však pre jej kariéru ukázal ako rozhodujúci. Zručnosti, ktoré získala v Sangerovom laboratóriu, mohla s Gallom využiť na riešenie zaujímavého, ale v tom čase marginalizovaného problému bunkovej biológie: ako sú syntetizované a stabilizované konce lineárnych molekúl DNA?

Tie konce sa nazývajú teloméry a v živote bunky hrajú dôležitú úlohu. Hermann Muller a  Barbara McClintocková (on získal Nobelovu cenu v roku 1946, ona v roku 1983) si už v tridsiatych rokoch všimli, že poškodenie telomér vedie k spájaniu dvoch molekúl DNA, čím vznikajú chromozómové monštrá. Poškodené teloméry môžu spôsobiť smrť bunky alebo dramatickú prestavbu jej genómu, ktorá môže mať za následok abnormálne správanie, akým je napríklad zmena normálnej bunky na nádorovú. 

Koncom šesťdesiatych rokov sa zistilo, že pri kopírovaní DNA vykazujú teloméry zvláštne správanie. Konkrétne sa ukázalo, že enzýmy z rodiny DNA polymeráz, čo sú štandardné nástroje bunky, nie sú schopné kopírovať konce lineárnych molekúl DNA. Tento zdanlivo nezaujímavý detail mal ďalekosiahle dôsledky. 

Pretože keď je to tak – napísal v roku 1971 ruský teoretický biológ Alexej Olovnikov –, potom po každom kopírovaní molekuly DNA, ktoré predchádza deleniu buniek, bude lineárna molekula o kúsok kratšia. Po istom počte bunkových delení, pokračoval Olovnikov, skracovanie prekročí istý prah a bunka buď zomrie, alebo stratí schopnosť delenia. Teloméry by tak predstavovali akési stopky, ktoré počítajú bunkové delenia a po určitom počte bunkám znemožnia produkovať ďalšie bunky.

V pohlavných bunkách sa však niečo také diať nemôže. Každý nový jedinec musí mať stopky nastavené nanovo, a to znamená, že minimálne v pohlavných bunkách jeho rodičov musí fungovať mechanizmus, ktorý zabraňuje skracovaniu koncov chromozómov. Ako to však celé funguje?

Aká je biochemická povaha spomínaného mechanizmu? Čo spôsobuje unikátnu úlohu telomér pri ochrane koncov chromozómov? A majú skutočne teloméry vzťah k bunkovému starnutiu a vzniku nádorov?

Blackburnovej uvažovanie nad tými otázkami vyústilo do jednoduchej hypotézy. Ak majú teloméry spomínané špeciálne funkcie, mali by mať aj špeciálnu štruktúru, ktorá by mohla vyplývať z unikátneho usporiadania koncov chromozómov. Test tejto hypotézy bol zdanlivo triviálny: stanoviť poradie nukleotidov telomér. Je však rok 1975, moderné metódy analýzy DNA prakticky neexistujú a stanoviť poradie nukleotidov napríklad ľudských telomér je technicky nemožné. Už len preto, že z vyše troch miliárd nukleotidov predstavujú koncové úseky chromozómov stotiny percenta DNA, čo je veľmi málo materiálu na sekvenovanie. 

Našťastie v laboratóriu Josepha Galla, ktoré sa zaoberalo bunkovou biológiou prvokov s exotickými názvami a nezvyčajným životným štýlom, skúmali medzi inými organizmami aj Tetrahymena thermophila, ktorý má namiesto jedného jadra dve. Prvé (mikrojadro) obsahuje genetický materiál a je distribuované do dcérskych buniek. Druhé (makrojadro), ktoré je továrňou na výrobu bunkového materiálu, vzniká rozpadom chromozómov mikrojadra na krátke úseky, ktoré sú následne namnožené do desiatok tisícov lineárnych molekúl DNA. A tisícky lineárnych molekúl majú tisícky telomér! Ideálny materiál pre Blackburnovú a techniku sekvenovania DNA, ktorú sa naučila u Freda Sangera. 

V priebehu niekoľkých mesiacov získala prvé výsledky: Teloméry prvoka pozostávali z opakovania šiestich nukleotidov, monotónne vyhlasujúcich KONIEC KONIEC KONIEC KONIEC KONIEC chromozómu. Vzrušujúci výsledok? V roku 1978, keď bola práca publikovaná, veľký ohlas nevzbudila. Áno, sú to teloméry, ale na chromozómoch zo špecializovaného jadra obskúrneho prvoka. Aký to môže mať význam pre ľudské bunky?

Na postdoktorandskom pobyte u Jacka Szostaka vymýšľa Liz Blackburnová experiment s ambíciou zodpovedať otázku, či budú teloméry prvoka Tetrahymena hlásiť KONIEC aj na chromozómoch iných eukaryotov, napríklad kvasiniek? Spoločne s Szostakom pripravujú lineárnu molekulu DNA – umelý kvasinkový chromozóm, na ktorého konce prilepia teloméry z prvoka a vnesú ho do kvasinkovej bunky. Výsledok je veľmi povzbudivý: teloméry nielenže chránia konce umelého chromozómu v kvasinkách, ale kvasinková bunka na ne pridáva vlastné telomerické sekvencie. Nastáva všeobecné vzrušenie. Experiment ukázal nielen to, že teloméry eukaryotických chromozómov sú konzervované, ale aj naznačil, že bunky disponujú enzymatickou aktivitou, ktorá teloméry aktívne predlžuje.

Tridsaťšesťročná Blackburnová prichádza do svojho laboratória a jej prvá doktorandka Carol Greiderová jej ukazuje výsledky experimentu testujúceho možnosť, že bunky prvoka Tetrahymena obsahujú špeciálny enzým predlžujúci teloméry aj v skúmavke. Po niekoľkých mesiacoch frustrácií boli pre obe mladé ženy Vianoce 1984 skutočne špeciálne. Výsledky jednoznačne ukázali, že existuje enzým, ktorý k lineárnym DNA molekulám pridáva bloky KONCOV, takých istých, ako Blackburnová opísala vo svojej prvej práci v roku 1978. 

Enzým, neskôr nazvaný telomeráza, postupne odhaľoval ďalšie zaujímavosti. Greiderová a Blackburnová v priebehu nasledovných dvoch rokov zistili, že okrem bielkovinovej zložky, ktorá katalyzuje predlžovanie telomér, obsahuje i krátku molekulu ribonukleovej kyseliny (RNA), ktorá je matricou na pridávanie KONCOV. Telomeráza bola postupne identifikovaná takmer vo všetkých eukaryotických organizmoch vrátane človeka, ktorého teloméry sa od telomér prvoka Tetrahymena odlišujú jediným písmenkom v šestici opakovaných nukleotidov. Jednoduchý plán dvadsaťsedemročnej Liz Blackburnovej z roku 1975 sa ukázal vizionársky a vyústil do explózie výskumu týkajúceho sa koncov chromozómov (zatiaľ čo v roku 1978 sa v tlači objavili tri články o telomérach, v roku 2008 ich bolo publikovaných takmer tisíc). 

Z čoho pramenil ten záujem? Z toho, že konečne nastal čas experimentálneho testovania Mullerových, McClintockovej a Olovnikovových predikcií. Skutočne sa ukázalo, že čím viac generácií má za sebou ľudská bunka, tým má kratšie teloméry, čo je spôsobené tým, že na rozdiel od zárodočných buniek telovým bunkám človeka chýba aktívna telomeráza. 

Dôležité bolo aj zistenie, že vo väčšine nádorových buniek je telomeráza znovu aktivovaná. To má dve dôležité implikácie: teloméry hrajú kľúčovú úlohu v procese bunkového starnutia i nádorovej transformácie. Farmaceutické firmy v tušení zaujímavých komerčných aplikácií začali s vývojom liečiv smerovaných na telomerázu s jednoduchou logikou: jej aktivácia v starnúcich bunkách by im predĺžila život, jej inhibícia v nádorových bunkách by im zabraňovala v delení. Ak tušíte implicitný rozpor v predchádzajúcej vete, ste na stope jedného z dôvodov, prečo takéto liečivá zatiaľ na trhu chýbajú. Ako to už býva, pôvodné predstavy sa ukázali príliš zjednodušené, čo zdôrazňuje, že štúdium telomér je stále vysoko atraktívnou oblasťou biomedicínskych vied.

Cenu za fyziológiu a medicínu preberajú Elizabeth Blackburn, Carol Greider a Jack Szostak „za odhalenie mechanizmu ochrany chromozómov a enzýmu telomeráza“. Tí, ktorí boli aktívnymi účastníkmi výskumov súvisiacich s telomérami, by možno dodali: Za intuíciu spojenú s tvrdohlavosťou. Za originalitu a nekonformnosť vo výbere vedeckého problému a modelového objektu. Za založenie oblasti biológie, v ktorej dominujú ambiciózne a talentované ženy. Za príjemné zážitky z čítania vzrušujúcich a často estetických experimentov. A za inšpiratívne osobné príbehy. Inšpiratívne aj (alebo práve)  pre slovenskú vedu.