Proč máme víc proteinů než genů?

Úvod

Dvoušroubovice DNA v jádru lidských buněk v sobě skrývá návod k tomu, jak budeme vypadat, k jakým nemocím budeme mít predispozice či k tomu, jestli budeme moci i v dospělosti trávit laktózu¹. Všechny tyto informace jsou v DNA zapsány ve formě genů. Existuje vícero typů genů a dnes budeme rozebírat zejména ty, které určují, jaké bílkoviny si naše tělo vytvoří. Dle nejaktuálnějších studií existuje v lidském genomu (genom je soubor celé genetické informace jedince) kolem 21 tisíc protein kódujících genů². Kdyby z jednoho genu mohl vzniknout jenom jeden protein, mělo by být proteinů stejně. Avšak vědci zjistili, že lidské tělo vytváří mnohem více druhů proteinů, než je počet protein kódujících genů³. Jak je to možné?

Nukleové kyseliny jsou složeny z nukleotidů a bílkoviny zase z aminokyselin. Informace o tom, jak se mají jednotlivé aminokyseliny poskládat, aby vznikl konkrétní protein, je zapsána právě v DNA. 3 nukleotidy vedle sebe v DNA tvoří takzvaný kodon a ten zase určuje, jaká aminokyselina se při proteosyntéze do vznikající bílkoviny přidá. Je dobré poznamenat, že jeden kodon kóduje vždy jenom jednu aminokyselinu, avšak jedna aminokyselina může být kódovaná vícero kodony (mluvíme pak o tom, že genetický kód je degenerovaný). Například kodon AAT kóduje jenom aminokyselinu asparagin, avšak ta může být kódována i kodonem AAC. Sled kodonů v DNA tedy určuje charakter bílkoviny. Pro představu si můžeme říct, že DNA je jako návod, jak poskládat lego stavebnici, kde jednotlivé kostičky jsou aminokyseliny.

‍

Genetický kód DNA

Triplet (trojice) nukleotidů (jeden kodon) kóduje vždy jednu aminokyselinu nebo značí zastavení tvorby proteinu (STOP kodon). Tato mapa zobrazuje všechny kombinace nukleotidů i aminokyseliny, které jsou jimi reprezentovány. Číst ji třeba ze středu do periferie – například kombinace AGT kóduje serin. Důležité je poznamenat, že jde o genetický kód DNA. V mRNA se nevyskytuje thymin (T), ale uracil (U). Kodon pro serin by tedy v mRNA byl AGU.

‍

‍

Bílkovina však nevzniká přímo z DNA, DNA se nejprve musí přepsat do mRNA (messengerová nebo mediatorová RNA), která slouží jako posel. Vzniká v jádru a informaci  dále přenáší k ribozomům v cytoplazmě a na endoplazmatickém retikulu. Proces DNA → mRNA se nazývá transkripce (přepis). Informace z DNA je v mRNA také zapsaná ve formě kodonů. mRNA se pak dostane na ribozomy a tam je složitým procesem překládána (proces translace) do konkrétní bílkoviny. Tohoto procesu se účastní také tRNA (transferová), která přináší konkrétní aminokyselinu do rostoucího řetězce proteinu, rRNA (ribozomová) mající enzymovou aktivitu a jiné molekuly.

‍

Jednoduché schéma přenosu informace z DNA do bílkoviny.

DNA je nejprve transkribovaná (přepsána) do mRNA, ta je pak translatovaná (přeložena) do výslední bílkoviny.

‍‍

Abychom pochopili, proč máme více proteinů než kódujících genů, musíme se podívat na to, co se děje s RNA předtím, než se z ní vytvoří definitivní mRNA. Při transkripci DNA do RNA totiž nevzniká hned mRNA, ale vzniká něco, čemu říkáme pre-mRNA nebo hnRNA. Tento prvotní přepis (primární transkript) je následně upravován (posttranskripční modifikace). Pro nás nejpodstatnější úpravou je takzvaný alternativní sestřih (alternative splicing), kdy může být jedna molekula pre-mRNA sestříhaná na různých místech a může tak dát vzniknout vícero molekulám mRNA. Z těchto molekul mRNA pak logicky nasyntetizujeme větší počet bílkovin. Tento fenomén nám umožňuje z jedné sekvence kodonů v DNA utvořit více než jednu sekvenci v mRNA a tím pádem více než jeden protein z jedné sekvence DNA. Abychom to přirovnali k již zmíněnému legu, je to jako, když se dítě nedrží původního návodu a sestaví zbrusu nový smysluplný objekt, protože jednotlivé částečky spolu pasují i jiném pořadí.

‍

Schéma alternativního sestřihu

Vidíme, že jeden gen DNA, který má 5 exonů (oblast DNA, která je určena na translaci do proteinu) může dát vzniknout až 3 různým proteinům. Záleží totiž na tom, jak hnRNA vzniklou přepisem DNA naštípeme a jak fragmenty následně slepíme dohromady. Některé exony se nemusí dostat do finální mRNA, což způsobí, že vznikne úplně jiný protein.

‍

‍

Závěr

Aby toho nebylo málo, spektrum bílkovin, které můžeme vytvořit z jednoho genu, je ještě širší, a to kvůli tomu, že existují nejen posttranskripční modifikace, ale i modifikace posttranslační. Ty jsou známější, jde například o fosforylaci, glykaci a jiné úpravy. O nich ale možná jindy. Pro zájemce o tohle téma ještě přikládám odkaz na pěkný odbornější článek o tom, jak je pomocí mechanizmů, které jsme si dnes ukázali, regulovaná buněčná autofagie, tedy proces, kdy buňka konzumuje sama sebe - Link