Piškvorky s buňkami
27. 2. 2008
Buňky jsou nesmírně složité útvary, ve kterých se odehrává obrovské množství dějů. Pokud bychom přirovnali jádro lidské buňky k pokoji o 20 m², pak bychom tam museli vměstnat 46 lanek o tloušťce dvou milimetrů a celkové délce dvou tisíc kilometrů. Přitom tu probíhá tu přepis genů z DNA do RNA, nejrůznější molekuly RNA v jádře vyzrávají a pohybují se na místo určení. Obrovský exponenciální nárůst poznatků získaných nejrůznějšími metodami nedávno přivedl vědce k zásadnímu problému: Jak dát do souvislosti údaje o biochemických pochodech v buňce se strukturami pozorovanými v mikroskopu? Díky speciálním přístrojům mohou nyní biologové označit nejrůznější útvary a bílkoviny fluorescenčními značkami a pozorovat, jak s nimi živá buňka manipuluje. Další přístroj je obdobou nám známějšího tomografu – zatímco ten používaný lékaři vytvoří prostorovou představu o orgánech lidského těla, elektronový mikroskop, který používají vědci z Ústavu buněčné biologie a patologie, 1. Lékařské fakulty Univerzity Karlovy, dokáže zobrazit 3D struktury buňky.
Čekárny nemocnic jsou plné pacientů, které sužuje množství chorob, o jejichž podstatě toho lékaři často vědí jen málo. Hodně nemocí je způsobeno tím, že se porouchá mechanizmus v některé z buněk našeho těla. Pak vzniká rakovina, alergie nebo třeba Alzheimerova nemoc. Proto chtějí vědci buňky dokonale poznat.
Michael: To však vůbec není jednoduché. Představte si, …
… that every single cell contains an enormous number of internal structures that we call organelles which are located in the cytoplasm.
… že jen samotná buňka obsahuje velké množství struktur, které nazýváme organely, jež jsou umístěné v cytoplazmě.
Michael: And that’s not to mention what´s happening in the nucleus. There are the 46 chromosomes packed in as well as thousands of other helpful constituent parts. In fact, the nucleus is the most complicated part of the cell.
A to nemluvím o samotném jádře. Tam se musí směstnat 46 chromozomů a tisíce dalších pomocných složek. Buněčné jádro je nejsložitější organelou buňky.
O co složitější pochody v buňce zkoumáme, o to dokonalejší přístroje musíme použít, abychom je poznali. Takové přístroje mají v Ústavu buněčné biologie a patologie na Albertově. O dynamice makromolekul tu mluví jako o překvapení 21. století.
prof. RNDr. Ivan Raška, DrSc., Ústav buněčné biologie a patologie, 1. LF UK a FgÚ AV ČR: Proteiny, ale také molekuly RNA, se v buňce a v buněčném jádře pohybují nesmírně dynamicky, řekl bych jako blázni, až najdou nějakého vhodného vazebného partnera v rámci nějaké struktury, kde chvíli setrvají, odvedou práci, a zase pobíhají po buňce a po jádře.
Tady například v reálném čase můžete sledovat přepis DNA na RNA. DNA je vyznačena červeně, přepsaná RNA žlutě. Pro ty, kteří chyběli ve škole: informace, kterou máme uloženu v určitém úseku DNA, tedy genu, se musí nejdříve přepsat na RNA. Informační RNA pak odputuje mimo jádro k ribozomům v cytoplazmě, v nichž se podle zadaných instrukcí vytvoří příslušná bílkovina.
Obrovský nárůst poznatků získaných o buňkách nejrůznějšími metodami přivedl biology k zásadnímu problému: Jak dát do souvislosti údaje o biochemických pochodech v buňce se strukturami pozorovanými v mikroskopu? Právě na tuto oblast se zaměřil projekt profesora Rašky.
K vyšetření buňky pomáhá podobná metoda, jaká se používá i k vyšetření člověka – počítačová tomografie. Nejprve se však musí taková buňka připravit. Zalije se do speciální pryskyřice, která se nakrájí na tenoučké řezy o síle desetiny mikrometru. Teprve pak je možné buněčné struktury v mikroskopu pozorovat. … Delikátní práce!
Tento elektronový mikroskop dokáže vytvořit obrázky z řezu buňky z různých úhlů. Řezy buněk umístěné na této droboučké kovové síťce se vloží do mikroskopu. V devatenáctitisícovém zvětšení se postupně pořídí například 131 projekcí. Počítač je pak složí – a máme tu trojrozměrné zobrazení buněčných struktur obsažených v řezu. Tady se můžeme potěšit neobvyklým pohledem na jadérko kvasinky. Upřímně řečeno – najít však konkrétní strukturu, o kterou nám jde, je obtížné. Jak třeba zachytit důležitý přepis genů z DNA?
prof. RNDr. Ivan Raška: No, podívejte se na tento nádherný snímek! V něm jsou vlastně zobrazeny dva aktivní, tedy přepisující se ribozomální geny, které byly izolovány z buňky obojživelníků. Je v něm patrná taková ta centrální osa dvou genů, tedy vlastní DNA, zatímco ty přepisující se sekvence ribozomálních genů, to jsou takové ty laterální větvičky, které z ní vybíhají.
Vědci takový obraz nazvali vánočními stromečky. Kde se však tyto útvary v jadérku nacházejí? Několik desetiletí to bylo záhadou.
Synchron: prof. RNDr. Ivan Raška, DrSc., Ústav buněčné biologie a patologie, 1. LF UK a FgÚ AV ČR: Musím vám říci, že skutečně trvalo třicet let, než se podařilo tuto záhadu objasnit.
A tady už je vidět, jak se albertovským vědcům podařilo zjistit umístění vánočních stromečků v jadérku. Uvnitř jadérka jsou vidět shluky zlatých kuliček označených šipkami. Ty ukazují řezy vánočními stromečky.
Michael: Snímky z elektronového mikroskopu jsou krásné, …
… but there is a one problem. The cell being observed are dead.
… ale je tu jeden problém – pozorované buňky jsou už po fixaci, a tedy mrtvé. Vidíme jen jednu z jejich tváří – tu v okamžiku smrti.
Michael: But how do we get around such a problem? How can we observe living cells?
Jak tento problém obejít? Jak pozorovat určité makromolekuly v živých buňkách?
Vědci našli řešení: Fluorescent colours and fluorescent mikroskopy.
Ke specifické bílkovině či určitému chromozomu je možné připevnit podobnou fluorescenční značku, a tak proniknout do jejich struktur. Vědci mají značky nejrůznějších barev. Stačí pak jen sledovat jejich pohyb. Buňky nyní mohou pokračovat ve své normální činnosti. V mističce vsunuté do fluorescenčního mikroskopu mají zkoumané buňky optimální teplotu, přísun živin i potřebných plynů, které udržují správné pH. A tak se buňky přemisťují, čile spolu komunikují, nebo se i dělí. A přitom se pořizují fotografie a celé filmové sekvence.
Badatelé se obvykle soustřeďují na studium jedné ze stránek života buněk. Na tomto pracovišti chtějí vědět, jestli je uspořádání genomu v jádře dědičné. Tedy jestli se vždy určitý chromozom nachází vedle jiného určitého chromozomu i poté, co se buňky rozdělí. A tak si s buňkami zahráli piškvorky. Červeně označili určité oblasti chromozomů v jádře kolečky a křížky. Po dělení kolečka a křížky zaniknou. Jinými slovy – chromozomy, které ležely původně vedle sebe, se nyní v jádře nacházejí na jiném místě.
prof. RNDr. Ivan Raška, DrSc., Ústav buněčné biologie a patologie, 1. LF UK a FgÚ AV ČR: Zuzana Cvačková, Martin Mašata a jiní pracovníci našeho ústavu vlastně prokázali právě pomocí in vivo pozorování ve fluorescenčním mikroskopu, že tato dědičnost je velmi omezená. Je důležitá, ale omezená.
Další velkou záhadou, kterou si buňky stále střeží, je jadérko. Jeho hlavní funkce byla určena až šedesátých letech 20. století, i když bylo popsáno těsně před Velkou francouzskou revolucí. Přitom na samotné jádro se přišlo zhruba o padesát let později. Jadérka ale kupodivu nejsou trvalou buněčnou strukturu. Vytvářejí se v buňce pouze v údobí mezi jednotlivými děleními a na začátku dalšího dělení se vždy rozpadnou. Jadérka ale mají jednu podstatnou funkci – jsou to vlastně takové továrny na ribozomy.
A úlohou ribozomů je vyrábět nejrůznější bílkoviny. Pro ty, co i tentokrát ve škole chyběli: ribozomy jsou dílny na proteiny. Ribozomy přečtou informační RNA a podle ní vyrobí bílkovinu na míru. Právě můžete sledovat ve zpomaleném čase animaci vzniku jedné bílkoviny. Ale už vznik samotného ribozomu je podivný. Jakoby naznačoval, že příroda není vždy úsporná a někdy se dá na plýtvání.
Při sestavování ribozomu se nejdříve z ribozomálních bílkovin a ribozomální RNA vytvoří malé a velké podjednotky, které putují z jadérka skrze jádro a pak se přes jaderné póry dostávají do cytoplazmy. Tam se seskupí a spolu s informační RNA vytvoří funkční ribozom.
Jednotlivé díly ribozomu však vznikají na různých místech buňky a až dosud se předpokládalo, že je jejich výroba jaksi synchronizovaná. Že vzniká stejné množství ribozomálních bílkovin i RNA. Ukázalo se však, že to není pravda.
prof. RNDr. Ivan Raška, DrSc., Ústav buněčné biologie a patologie, 1. LF UK a FgÚ AV ČR: V tom jádře je daleko víc ribozomálních proteinů, než je potřeba pro ten počet syntetizovaných RNA, a ten nadbytek se degraduje v rámci jádra – v jádře se to dělá – pomocí proteazomů.
Buňka tedy vytváří mnohem více bílkovin na stavbu ribozomu, než je třeba. A pak je pomocí enzymů zase pracně odbourává. Proč? To zatím nikdo neví. Biologové jednu tvář buňky odhalili, další otázka ale přibyla. Taková je věda …
Výzkum tedy proto pokračuje. Profesor Raška, člen Učené společnosti České republiky, spolu se svým týmem obdržel nedávno za svoji práci Cenu Předsedy Grantové agentury České republiky.
Michael: The scientists have shown that nucleoli have many functions. For example they participate in the process of aging. And they contribute to the suppression of the growth of the tumours and they play their role in the fight against viral infection. With regards to the explosion of knowledge surrounding nucleoli it is apparent that we shall see many new surprises in the near future and hopefully a time of empty hospital waiting rooms.
Práce vědců ukazují, že jadérko má ještě mnoho dalších funkcí: například se účastní pochodů stárnutí, přispívají k regulaci nádorového bujení, hrají roli v boji proti virovým infekcí. Vzhledem k explozi vědomostí o jadérku je zřejmé, že se v blízké budoucnosti s jadérkem dočkáme mnohých překvapení – a doufejme, že v budoucnosti i prázdných čekáren u lékaře.
Autor: Šárka Speváková