Vědci zkoumají, proč rostlinné buňky nestárnou

Odborníci z institutu CEITEC MU získali nové informace o tom, jak u rostlin funguje enzym telomeráza. Poznatky mohou pomoci v boji s nesmrtelností lidských nádorových buněk.

Enzym telomeráza je zodpovědný za nesmrtelnost kmenových nebo nádorových buněk člověka a jeho přesná a vratná regulace u rostlin je pak příčinou absence stárnutí rostlin v tom smyslu, jak je známe u živočichů, a souvisí s vysokou regenerační schopností rostlin. Poznatky o podstatě regulace telomerázy u rostlin by tak mohly pomoci v boji s nesmrtelností lidských nádorových buněk nebo naopak k posílení regeneračních schopností normálních lidských buněk.

Telomery jsou speciální útvary na koncích chromozomů, které zajišťují, aby se nenarušila DNA organismu uložená uvnitř chromozomů. Jednou z vlastností telomer člověka je, že se při každém kopírování DNA a dělení buňky zkracují. Toto zkracování je tak ukazatelem i jednou z příčin stárnutí. To však neplatí pro rostliny, které umí tyto konce chromozomů udržovat stejně dlouhé v podstatě celý svůj život.

Odborníci z institutu CEITEC Masarykovy univerzity ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou MU, Biofyzikálním ústavem AV ČR a Ústavem experimentální botaniky AVČR teď odhalili, jak se u rostlin sestavuje enzym telomeráza, který umí konce chromozomů prodlužovat, a jak je evolučně provázaný s podobným procesem u člověka.

Výzkumná skupina Jiřího Fajkuse se zaměřila na to, jak se v buňce modelové rostliny Arabidopsis thaliana sestavuje komplex RNA a bílkovin, který telomerázu tvoří, a jakým způsobem se pak telomeráza dostává na konce chromozomů, aby mohla prodlužovat zkrácené telomery. Zjistili, že i když ji tvoří komplex velmi podobných bílkovin jako u člověka, a dokonce i bílkoviny napomáhající v procesu tvorby komplexu jsou podobné, tak některé z nich a jejich vzájemné interakce jsou u rostlin specifické. A právě tam se může skrývat řešení otázky, proč rostlina může enzym telomerázu aktivovat vždy, když to potřebuje během svého vývoje nebo regenerace.

V buňkách rostlin se spojuje telomeráza s takzvanými TRB bílkovinami, které se vyskytují pouze u rostlin a současně se vážou na DNA telomer. Mohou tak fungovat pro navádění telomerázy k telomerám. Tyto bílkoviny před několika lety popsala Petra Procházková Schrumpfováz laboratoře funkční genomiky a proteomiky na Přírodovědecké fakulty MU, a v tomto výzkumu úspěšně pokračuje.

„Nově se nám podařilo zjistit, že telomeráza vytváří stejně jako u lidí komplex také s bílkovinami nazývanými pontin a reptin, respektive u rostlin RuvBL1 a RuvBL2a, které přispívají k vytvoření funkční telomerázy. V rostlinách ale potřebují pro toto spojení jako prostředníky právě TRB bílkoviny,“ popsala aktuální objev, který zveřejnil The Plant Journal, Procházková Schrumpfová.

Proč rostliny na rozdíl od živočichů nestárnou

Výzkumu rostlinných telomer se tým Jiřího Fajkuse systematicky věnuje už od roku 1996. „Chceme zjistit, jak to buňky dělají, že umí regulovat aktivitu telomerázy, a tedy prodlužovat telomery v dělících se buňkách. Fungování tohoto procesu závisí nejen na zapojených bílkovinách, ale také na jejich struktuře a vzájemných interakcích. Pokud se nám toto všechno podaří rozklíčovat, možná zjistíme, proč rostlinné buňky nestárnou a živočišné zpravidla ano,“ uvedl vedoucí laboratoře Fajkus.

U člověka není zkracování telomer vratný proces a telomeráza je aktivní jen u několika typů buněk a ve specifických situacích. Je to například při tvorbě pohlavních buněk, v kmenových buňkách, z nichž se postupně vytváří celé lidské tělo, a pak u buněk rakovinných.

„U lidí je tento proces prostudovaný mnohem podrobněji než u rostlin, pro léčbu nádorů se zkouší i terapie zaměřené právě na vyřazení funkce telomerázy. Závažnou komplikaci zde představuje i to, že po vyřazení telomerázy dochází u některých nádorových buněk k aktivaci alternativního, na telomeráze nezávislého způsobu prodlužování telomer. Ten jsme pozorovali i u rostlin. Lepší pochopení procesů udržování telomer u rostlin by mohlo pomoci zjistit, v čem se tyto procesy od podobných procesů u člověka liší a jak by se případně dalo s nesmrtelností nádorových buněk bojovat,“ dodal Fajkus.

Tým se bude dál zabývat přesnou rolí jednotlivých bílkovin při sestavování a fungování telomerázy a také tím, kde a jak se vše v buňce odehrává. Už teď je například známo, že část procesu se odehrává v buněčném jádře a část mimo něj.

Od genů mechu k těm lidským

S telomerami souvisí i druhý článek, který vyšel ve stejném vědeckém časopise a zaměřil se na výzkum funkce dvou genů v mechu nazývaném čepenka odstálá (Physcomitrella patens). Jedná se o geny kódující proteiny RAD51 a RTEL1, které mají významnou roli při opravách poškozené DNA.

Vědci si vybrali tento mech proto, že mnohem častěji než jiné rostliny využívá pro opravy poškozené DNA takzvanou homologní rekombinaci. Při ní se využije nepoškozené vlákno DNA, podle kterého se opraví poškozený úsek DNA. Tento proces ale využívá i část nádorových buněk pro prodlužování svých telomer, pokud nemají funkční telomerázu – jedná se o výše zmíněný alternativní způsob prodlužování telomer.

„Pro správné fungování homologní rekombinace je ale nezbytné, aby oba jmenované geny měly vyrovnanou aktivitu. Přehnaně aktivní RAD51 hledá chyby i tam, kde nejsou, na což jsou citlivé právě telomery, které mohou vytvářet smyčkové struktury připomínající meziprodukty rekombinace. Aktivita RAD51 vede pak k odstřižení telomer. Fungování RTEL1 jednak přímo omezuje přehnanou činnost RAD51, a navíc napomáhá rozplétání uvedených smyček a dalších neobvyklých struktur (například čtyřřetězcové DNA), které jinak představují překážku při kopírování a přepisu DNA,“ vysvětlila činnost sledovaných genů a bílkovin první autorka práce Ivana Goffová.

Když u mechu vědci vyřadili z funkce gen pro RTEL1, telomery chromozomů se výrazně zkrátily a rostlina je dokázala jen udržovat na kritické minimální délce potřebné pro přežití, ale už je neuměla prodloužit. Mech pak rostl mnohem pomaleji. Vyřazení funkce RAD51 naproti tomu nemělo na délku telomer vliv. Oba faktory – RTEL1 i RAD51 - jsou však potřebné pro již zmíněné alternativní prodlužování telomer, které není závislé na telomeráze.

„Ukázalo se, že vyřadit alternativní způsob prodlužování telomer je složité a jeho zablokování vede k hromadění dalších mutací v genomu. V naší studii se to nejvíce projevilo na ztrátě části genů pro ribozomální RNA, která je nezbytná pro tvorbu bílkovin v buňce. K této ztrátě došlo jak při vyřazení RTEL1, tak i RAD51. Výsledky našeho výzkumu na rostlinách by tak mohly posloužit i odborníkům, kteří se zajímají o lidské telomery, a rostlinný výzkum běžně ignorují,“ dodal Fajkus.

Publikace

Schořová, Š. , Fajkus, J. , Záveská Drábková, L. , Honys, D. and Schrumpfová, P. P. (2019), The plant Pontin and Reptin homologues, RuvBL1 and RuvBL2a, colocalize with TERT and TRB proteins in vivo, and participate in telomerase biogenesis. Plant J, 98: 195-212. doi:10.1111/tpj.14306

Goffová, I. , Vágnerová, R. , Peška, V. , Franek, M. , Havlová, K. , Holá, M. , Zachová, D. , Fojtová, M. , Cuming, A. , Kamisugi, Y. , Angelis, K. J. and Fajkus, J. (2019), Roles of RAD51 and RTEL1 in telomere and rDNA stability in Physcomitrella patens. Plant J, 98: 1090-1105. doi:10.1111/tpj.14304

Zdroj: věda.muni.cz

Foto: Vratislav Peška

Převzato z: