Dotaz

Pro zdárný vývoj časného embrya (zárodku) je důležité, aby měl oocyt během takzvané růstové fáze dostatek času pro přípravu celé řady mRNA a proteinů.

Připomeňme, že mRNA jsou ribonukleové kyseliny plnící roli „poslíčků“ (anglicky messenger). Procesem označovaným jako transkripce se do nich přepisuje informace z genů zapsaných v DNA.

Během takzvané translace pak buňka podle řetězců mRNA vyrábí na ribozomech bílkoviny čili proteiny. Podrobněji jsme o cestě od DNA k proteinu psali na podzim 2013.

U octomilky (Drosophila melanogaster) se o syntézu mRNA a proteinů pro vajíčko starají nutritivní buňky, které jsou s vlastním oocytem propojené cytoplasmatickými můstky. mRNA a bílkoviny plní během zárodečného vývoje rozličné funkce. Jednou z nich je určení anterior-posteriorní (hlavo-ocasní či hlavo-zadečkové) a dorzo-ventrální (hřbeto-břišní) orientace.

Octomilka je unikátní modelový organismus ke studiu této problematiky. Časný zárodek totiž netvoří pravé buňky, ale syncytium, což jsou vlastně nahá jádra „koupající se“ v okolní cytoplasmě.

Bílkoviny nazývané transkripční faktory, které zapínají nebo vypínají geny důležité pro formování hlavových či zadečkových struktur, tak mohou působit přímo na úrovni DNA bez nutnosti zapojení signálních kaskád. Ty jinak fungují jako „spojky“ mezi vnějším prostředím buňky a jádrem.

Pro určení hlavových a částečně i hrudních struktur je důležitý transkripční faktor Bicoid. Na druhé straně těla operují transkripční faktory Nanos či Oskar. Jak se ale tyto proteiny dostanou na správnou stranu barikády?

Odpověď hledejme na úrovni řetězců mRNA. Jak jsem psal výše, pro oocyt je připravují nutritivní buňky. Bicoid, nanos a oskar mRNA mají ve své sekvenci zakódované vazebné místo pro speciální bílkoviny, které se dokážou vázat na takzvané molekulární motory. Ty si můžeme představit jako auta jezdící po dálnicích tvořených bílkovinnými vlákny cytoskeletu – v tomto případě mikrotubuly.

Jedním takovým autem je dynein, důležitý například pro pohyb bičíku spermie během oplození. Druhým z nich je kinezin. Molekulární motory se po mikrotubulech nepohybují vždy obousměrně, ale většinou jenom k jejich jednomu či druhému konci. Kinezin a dynein se pohybují opačnými směry.

Díky tomu, že mRNA pro Bicoid má afinitu k dyneinu („líbí se jí“) a mRNA pro Nanos a Oskar zase ke kinezinu, dostanou se tyto mRNA k opačným pólům zatím neoplozeného vajíčka. Vytvářejí tak dvě pomyslné armády „hájící práva“ hlavových a zadečkových struktur.

Proč armády? Podívejme se, co se stane po oplození. Po průniku spermie se mRNA pro zmíněné transkripční faktory překládají (translatují) do proteinů. Ty již nemají vazbu k cytoskeletu a difúzí se šíří časným zárodkem proti sobě.

Když dorazí do „nepřátelského území“ – protein Bicoid do budoucí zadečkové části zárodku a Nanos do hlavové –, začnou se vázat na zatím nepřeložené „nepřátelské“ mRNA. Bicoid se tedy váže na mRNA důležité pro zadečkové struktury a Nanos na mRNA klíčové pro hlavové struktury.

Kam se ale vážou? mRNA mají tři základní části:

• 5ʹ nepřekládanou oblast (5ʹ UTR), která je důležitá pro vazbu ribozomu,

• vlastní sekvenci kódující protein,

• 3ʹ nepřekládanou oblast (3ʹ UTR), která funguje jako regulátor.

Součástí 3ʹ UTR je také poly A sekvence (poly A ocas). Ta je, jak název napovídá, složena z mnoha a mnoha adenosinových nukleotidů. Vazba proteinu Bicoid do 3ʹ UTR oblasti mRNA pro zadečkové struktury způsobí „přilákání“ dalších bílkovin, které pak doslova usekávají jejich poly A ocásky.

Čím je poly A sekvence kratší, tím hůř se příslušná mRNA překládá do bílkoviny a naopak. Pro intenzivní translaci – neboli silnou expresi, jak říkají molekulární biologové – je tedy potřeba mít dlouhý poly A ocas. Pokud dojde k jeho přílišnému zkrácení, je to dokonce signál pro úplnou likvidaci řetězce mRNA.

Podobně jsou na tom i mRNA skladované v rostoucím oocytu. Jejich poly A ocas je dostatečně krátký na to, aby nebyl rozpoznán translačním aparátem, ale zase ne tak krátký, aby došlo k úplné degradaci celé molekuly.

Po oplození jsou pak poly A ocasy aktivních genů opět prodlouženy speciálním enzymem, kterému říkáme poly A polymeráza.

Negativní regulace translace se pak dále účastní bílkoviny maskiny, které se opět vážou do 3ʹ UTR oblasti. Fungují tak, že si přitáhnou 5ʹ konec stejné molekuly mRNA, čímž zabrání vzniku iniciačního translačního komplexu. Ten je nepostradatelný pro nasednutí ribozomálních podjednotek a zahájení účinného překladu do bílkoviny.

Samostatnou kapitolou je regulace translace pomocí mikro RNA (miRNA). Tyto, jak název napovídá, malé RNA se na základě komplementarity nukleotidových bází (adenin-uracil a guanin-cytosin) vážou do 5ʹ UTR oblasti a brání tak nasednutí ribozomálního komplexu.