sobota 29. prosince 2012

VĚDECKÉ STŘEPINKY 2012 – lidský genom a kmenové buňky

Vzhledem k tomu, že se blíží konec roku a že bych měl něco napsat také o vědě samotné, vybral jsem pro tento příspěvek tři události ve světě vědy, které v tomto roce proběhly i veřejnými médii a které dle mého názoru budou mít v blízké době obrovský dopad na život celé společnosti (s ohledem na poslední kritérium jsem záměrně vynechal „objev“ Higgsova bosonu, byť to byl určitě také důležitý mezník):

  1. V únoru oznámila společnost Oxford Nanopore, vyvinutí nové metody pro sekvenaci DNA, která slibuje přečtení celého genomu člověka během 15 minut za cenu menší než tisíc dolarů. To navazuje na neuvěřitelně rychlý vývoj v tomto oboru v přechozích několika letech (pro srovnání v roce 2001 trvalo totéž 10 let a stálo 3 miliardy dolarů) a otevírá dokořán dveře reálným medicínským aplikacím – např. tzv. personalisované medicíně.
  2. V září byly publikovány výsledky první fáze projektu ENCODE (zahájeného v roce 2003). Ten poskytl obrovské množství dat o tom, jak buňky informace zakódované v genomu využívají a položil základ pro rozvoj takzvané funkční genomiky.
  3. V říjnu byla udělena Nobelova cena za Fyziologii a medicínu za výzkum v oboru kmenových buněk (zároveň byly během roku publikovány další významné práce v této oblasti). Tento výzkum má, kromě značného mediálního zájmu a grantových prostředků (a řady mýtů s tím spojených), bezesporu obrovský potenciál pro řadu nových léčebných postupů.

Pokusím se trochu přiblížit vědecké pozadí těchto „objevů“ a naznačit, proč by jim měl každý z nás věnovat pozornost. Všechny mají navíc významný přesah i do světa etiky, práva a sociálních otázek.

"Čtení naší duše"

Všechny buňky našeho těla obsahují stejnou dědičnou informaci, která je zakódovaná pomocí čtyř „písmen“ (ACGT), odpovídajícím 4 různým bazím v molekule DNA. Tuhle chemickou „abecedu života“ známe už asi 50 let, i díky tomu, že je stejná pro všechny formy života, včetně např. bakterií. Víme, že určité části DNA (geny) buňka přepisuje do jiné formy (RNA) a následně využívá krátká třípísmenná slova v nich obsažená jako instrukce pro výrobu svých základních funkčních jednotek (proteinů).

Lidský genom těch písmenek obsahuje asi 3 miliardy. V počítačové podobě se dají nahrát na jedno CDčko, vytištěny drobným písmem zabírají jednu velkou knihovní skříň (například v muzeu nadace Wellcome trust v Londýně). To se možná nemusí zdát ještě tak mnoho – s ohledem na to, že je to informace dostatečná aby z jedné buňky vznikl člověk, pár desítek let fungoval a třeba i sepisoval blogy - každopádně je to mnohem více, než bylo až donedávna možné zmapovat.

Přečtení „naší podstaty“ tak muselo počkat na rozvoj nových technologií a nástup „informačního věku“. V roce 2001 se to podařilo téměř naráz dvěma skupinám. První bylo vládní konsorcium Human Genome Project, které na sekvenaci lidského genomu pracovalo přes deset let a utratilo asi 3 miliardy dolarů. Druhým byla soukromá společnost Celera Genomics, doufající v možnost patentového využití zjištěných genů, která to zvládla za dva roky a asi 300 milionů.

Na tyto projekty následně navázala řada dalších. Zatímco původní práce využívaly vzorky z několika anonymních jedinců, v roce 2003 byl zveřejněn první genom konkrétního člověka (zakladatele Celery, Creiga Ventera) a do současnosti přibylo asi sto dalších (včetně např. Steva Jobse). Desítky projektů se nyní zaměřují na mapování variace lidského genomu mezi jednotlivci, rozdílů mezi národnostmi a zejména pak rozdílů chrakteristických pro specifické skupiny pacientů - všechny poskytují neocenitelná data jak pro vědeckou tak i lékařskou komunitu (viz. dále).
Nástup „sekvenačních technologií nové generace“ umožnil dramatické urychlení a snížení nákladů. Z původních deseti let a 3 miliard dolarů koncem 90.let se cena kompletního lidského genomu v současnosti snížila asi na 4 tisíce za dva dny a je téměř jisté, že již začátkem příštího roku se dostaneme pod magickou metu 1000 dolarů za genom a na dobu v řádu hodin. S nadsázkou lze tvrdit, že pokud bude cena klesat tímto tempem i nadále, bude levnější člověka osekvenovat, než tato data uložit na přenosný disk (pokles se brzo zpomalí, protože větší podíl začnou mít náklady na přípravu vzorků a zpracování dat – přesto ani $100 za genom není zřejmě nereálné).

V současné době nastupuje tzv. třetí generace technologií, jejíž nejnovějším reprezentantem (byť určitě ne posledním) je právě Oxford Nanopore. Tato společnost odštěpená před 7 lety z katedry chemické biologie oxfordské university má mimochodem již nyní tržní cenu přes miliardu dolarů - přestože dosud neprodala jediný produkt. Její technologie umožňuje číst dlouhé sekvence z jednotlivých molekul ze vzorku bez nutnosti speciální přípravy (např. přímo z kapky krve). Navíc vyniká originálním modulárním designem. Nejmenší zařízení má velikost memory sticku, který se připojí k laptopu přes USB port. Tyto přístroje tak již zdaleka nemusí být omezeny na velká genomická centra. Naopak, jejich využití v ordinaci praktického lékaře či v každé porodnici (viz níže) již teoreticky z technických důvodů téměř nic nebrání.



"Encyklopedie člověka"

Nyní tedy kromě „abecedy života“ známe i celou „knihu člověka“. Takže už zbývá jen taková maličkost – a to celý ten text „pochopit“. Je možné, že to bude trvat klidně i dalších 100 let, přestože už máme rozhodně nakročeno a mnoha přímých aplikací se dočkáme už brzo.

Samotné přečtení genomu přineslo hned několik překvapení. Jedním z nich bylo to, že máme jen asi 20-25 tisíc genů. To je nejen méně, než se původně očekávalo, ale zhruba stejné množství jako má myš či muška octomilka a méně než má třeba kukuřice. Společné geny se navíc mezi jednotlivými organismy příliš neliší (např. mezi námi a šimpanzem je rozdíl asi pouze v jednom písmenku ze sta). Přijmeme-li proto předpoklad o naší “nadřazenosti” nad opicí, mouchou či popcornem, musí naše “komplexita” pocházet ne z množství genů, ale především z regulace toho, jak jsou využívány.

A klíčem k pochopení této komplexní regulace má být právě projekt ENCODE (Encyclopedia of DNA elements). Ten byl zahájen v roce 2003 s cílem najít v lidském genomu funkční elementy. První fáze projektu byla uzavřena koordinovanou publikací 30 článků v těch nejprestižnějších časopisech v září tohoto roku. V jistém směru je poměrně obtížné shrnout jeho hlavní výsledky, protože primárním výstupem je obrovská databáze (celkem 1648 genomických experimentů na 147 buněčných typech), kterou bude vědecká komunita využívat ještě po mnoho příštích let.

Přesto se projekt dostal na první stránky světových médií, s chytlavými titulky, že vědci prozkoumali „černou hmotu“ lidského genomu a že „překvapivě zjistili, že co bylo dříve považováno za odpad, je ve skutečnosti důležité“. V podstatě až na to slovíčko „překvapivě“ měly titulky pravdu. Pojem „černá hmota“ zde naráží na fakt, že geny kódující proteiny tvoří jen asi 1,5% lidského genomu. O funkci a významu toho zbytku víme mnohem méně (i když zcela neznámý už přinejmenším několik let není a teorie považující většinu za nechtěnný evoluční odpad, tzv. „junk DNA“, patří už do dob dávnějších).

Je pravdou, že ENCODE tento „nekódující“ prostor systematicky zmapoval a identifikoval řadu oblastí, které ovliňují a regulují expresi konkrétních genů a zároveň i řadu míst, kde se vytváří RNA dosud neznámé funkce. Do RNA je dokonce přepisováno v určité míře až 60-70% genomu (což ovšem ještě neznamená, že všechna má opravdu nějaký biologický význam) a asi u 80% lze detekovat určitou biologickou aktivitu (např. vazbu transcripčního faktoru).

Klíčové na projektu je i to, že nám pomohl identifikovat rozdíly mezi různými typy buněk (všechny buňky našeho těla mají totiž stejnou genetickou informaci, každá z nich jen „čte“ její jinou část), což je velice důležité pro jakýkoliv bio-medicínský výzkum. Jednou z přímých aplikací je pak například nástroj identifikující, které buněčné typy použít jako nejlepší modely pro studium a testování nových léčebných postupů u genetických poruch.

Využití genomiky v praxi

Vím,že tohle je téma, které může čtenáře zajímat asi nejvíc (i díky poměrně velkému přesahu do otázek právní regulace). Protože však článek narostl více než jsem původně předpokládal (a svátečního času na psaní bylo méně), rozhodl jsem se ho vyčlenit do zvláštního příspěvku, který sem přidám (spolu s dalším rozepsaným blogem) po Novém roce (tedy pokud se mnou bude mít editor ještě trpělivost).

„Srdce z kůže“

„Všechno, co se dočtete ve veřejných médiích je zatím přehnané, hodně z toho však v budoucnu bude realitou.“

Tento výrok jednoho mého kolegy by se dal použít i na řadu jiných oblastí bio-medicíny, o kmenových buňkách však platí dvojnásob. Jestli totiž existuje něco jako vědecká móda, tak kmenové buňky jsou již několik let „in“. I díky veřejnému zájmu je to klíčové slovo, které se vyplatí zahrnout do žádostí o granty a které zaručí vyšší impakt publikací (znám skupiny, které na kmenových buňkách pracují, i když je pro svůj výzkum přímo nepotřebují). I přeš veškerý „hype“ si však tato oblast výzkumu pozornost určitě zaslouží, neboť má opravdu potenciál dramaticky změnit léčbu řady lidských nemocí.

Kmenová buňka je charakterizovaná tím, že je nejen schopná se sama reprodukovat, ale za určitých podmínek se může přetvořit (diferencovat) v buňku „jakékoliv“ specializované tkáně. Jak lze očekávat, tyto buňky se přirozeně vyskytují v embryu, v menší koncentraci pak i v tkáních dospělého jedince (kde se podílí na opravných mechanismech – mimochodem „nepřímo“ se využívají např. při transplantaci kostní dřeně). Vědcům se postupně podařilo nalézt postupy, jak kmenové buňky nejen izolovat, namnožit a udržet jako laboratorní kulturu, ale i jak „uměle“ navodit jejich diferenciaci (stále si pamatuji, jak jsem byl před lety „fascinován“ krátkým časosběrným videem ukazujícím přeměnu kmenové buňky v buňku srdečního svalu, která začala následně sama pulsovat).

Protože izolace „dospělých“ kmenových buněk je relativně složitá a diferenciační potenciál omezený, většina výzkumu dosud probíhala na buňkách získaných původně právě z embrya (u člověka lze využít přebytečná embrya neimplantovaná při in vitro fertilizaci). Tento původ s sebou samozřejmě přináší řadu etických problémů (např. za éry G.W. Bushe bylo financovaní výzkumu zastaveno).

Obrovský pokrok byl proto dosažen, když se v roce 2006 Shinya Yamanakovi a jeho týmu z univerzity v Kjótu podařilo "obrátit přirozený biologický tok“, a ze specializované buňky, konkrétně kožního fibroblastu, vyrobit buňku kmenovou. I tyto „indukované pluripotentní kmenové buňky“ lze pak dále diferencovat v jiné buněčné typy (z „kůže“ tak můžeme vytvořit např. „srdce“). Navíc nesou genetickou informaci jedince, z něhož byly odebrány, čímž se redukuje riziko imunitního odmítnutí při případném terapeutickém využití.

Kromě obrovského významu pro samotné pochopení biologických procesů, má (a bude mít) výzkum kmenových buněk opravdu řadu medicínských aplikací. K těm přímým patří zejména jejich transplantace pro obnovu postižené tkáně (rakovina, Parkinsonova nemoc, zranění páteře, roztroušená skleróza, poškození svalů,...). Probíhají i experimenty, kdy jsou kmenové buňky pacienta užívány pro tvorbu celých tkání a případně i trojrozměrných orgánů v laboratoři. V neposlední řadě možnost vygenerovat v podstatě jakékoliv buněčné typy (včetně těch jinak těžko dostupných, např. neuronů) s genetickou výbavou konrétního pacienta, dává neocenitelné možnosti pro hledání a testování nových léčiv. Do této kategorie patří i užití hepatocytů vytvořených z kmenových buněk pro testování toxicity “in vitro” (velké množství léků totiž bývá staženo v pokročilých fázích klinických studií, protože se u dobrovolníků či pacientů objeví jaterní toxicita).

Naopak k velkým problémům kmenových buněk (zejména těch indukovaných) v současnosti stále patří to, že jejich transplantace může vést k nekontrolovanému dělení a vzniku rakoviny (jelikož některé z faktorů podílejících se na jejich charakteru jsou zároveň onkogeny). Jsem však přesvědčen, že v budoucnu bude i tento problém vyřešen.

Pohádka "o světě bez mužů".

Protože jsem si všiml, že se na Jiném právu občas vyskytují i zajímavá genderová témata, dovolím si přidat ještě jeden „objev“ letošního roku, který se také kmenových buněk týká. Předem upozorňuji, že se jedná o spekulaci, kde moto uvedené na počátku přechozí části platí dvojnásob.

Přestože zárodečné buňky diferenciaci z kmenových buněk dlouho odolávaly, loni skupina Dr. Saitou z Kjotské university oznámila, že se jim podařilo vytvořit z myšších kmenových buněk spermie. Letos pak podobnou metodou stvořili i vajíčka. V obou případech byly takto vzniklé buňky využity k umělému oplodnění a ze vzniklých embrií implementovaných do náhradních matek se narodila živá zdravá mláďata. Použitá metoda je zatím velice složitá a zahrnuje inkubaci buněk v prostředí tkání získaných z varlat a vaječníků. Do budoucna však není vyloučeno, že se podaří celý process zreprodukovat čistě „ve zkumavce“. Kromě pokroku v pochopení procesů, které se na tvorbě zárodečných buňek podílejí, se tak nabízí i fascinující nové možnosti v léčbě neplodnosti.

Pojďme však zaspekulovat dále. V současných experimentech byly (i z etických důvodů) využity kmenové buňky pocházejících z jedinců příslušného pohlaví (tj. spermie ze samčích buněk, vajíčka ze samičích). Z biologického pohledu však není zřejmé, zda tomu tak nutně musí být (naopak přeběžné výsledky skupiny prof. Nayernia z university v Newcastelu údajně naznačují, že přinejmenším spermie by mohly být vytvořeny i z ženských kmenových buněk). V budoucnosti (která nemusí být tak vzdálená) se tak můžeme dostat do situace, kdy bude možné kožní buňky jakéhokoliv člověka přeměnit jak ve vajíčko, tak ve spermii a využít k umělému oplodnění. Takže pánové pozor – možná nejsme tak nezbytní (alespoň biologicky), jak jsme si donedávna mysleli ;-) („nahradit vývoj plodu v těle matky asi ještě dlouho možné nebude“). I v méně extrémní verzi by bylo etických otázek dostatek. Zatímco třeba použití lidských buňěk pro klonování (vytvoření genetické kopie daného jedince), byť „technicky možné“, se vesměs všude setkává s obecným odporem (osobně se domnívám, že trochu i díky negativní konotaci tohoto slova ze sci-fi filmů), týkalo by se stejné NE i technologie, která by umožnila jinak neplodnému páru vytvořit pohlavní buňky pro umělé oplodnění? A byl by nějaký rozdíl, kdyby šlo o homosexuální pár? …

Samozřejmě netvrdím, že tato situace nastane (ani se nesnažím zaujmout žádný morální názor). Uvádím to jen záměrně jako příklad, že současný bio-medicínský výzkum nás může postavit před biologické, etické a právní otázky, které mohou překonat vše, co jsme si zatím dovedli představit. A je dobré být vzdělán a připraven začít témata diskutovat co nejdříve.

23 komentářů:

Anonymní řekl(a)...

Trochu bych mírnil optimismus, který si pamatuji z pol. 90.let a tedhy čišil z toho, že stačí přečíst DNA, udělat korelaci pár databází a nemocí a máme to. Už tehdy někteří mediálně umlčení biologové tvrdili, že je to vše mediální masáž, že je to se vznikem nemocí a diferneciací buňek daleko složitější (resp. úplně jinak) dostávali za to bludné balvany a podobné ceny, protože se jim přisuzoval mysicismus apod. Přitom jen znali historii své vlastné disciplíny (také byli už ve střední věku) a věděli, jakých myšlenkových omylů se jejich předchůdci dopouštěli a jak bylo těžké tyto omyly opouštět, protože to byly "lákavé a chytré" omyly, které ovlivňovaly další a další generace.

DNA se bohužel stalo fetišem nové doby, na základě jejichž "analýzy" jsou zbytečně ukočovány životy mnoha plodů, přitom dávno existuvaly názory, že DNA nemá funkci stavební informace ale pouze regulační a tudiž některý zápis DNA nevede automaticky k určité diagnoze. Přitom má funkci i výpľn DNA a mitochondr DNA, která se vždy dědí po matce a která je odlišná od DNA v jádře buňky.

To všehcno se vědělo od studia kvasinek od klasických biochemiků. Jenže ono je jednodušší lidem mávat před očima CD z DNA a kmenovými buňkami, jejichž aplikace (náboženské mýty nechám stranou) vede jen k prudkému rozvoji rakoviny.

Samozřejmě je dobře, že se výzkum podporuje, ale oddělil bych výzkum samotný a to mediální blábolení o tom, že výzkum DNA povede k léčbě rakoviny. Už to slyším 20 let a přitom vám každá trochu vzdělaný doktor řekně, že DNA má vliv naprosto marginální.

Petr Jirků

Anonymní řekl(a)...

Podobné články čtu už asi 10 let, ale pokud vím, rakovina se dodnes "léčí" cytostatiky, operací a zářením a žádný jiný efektivní způsob léčby neexistuje. Navíc se léčba chová tak, že jen prodlouží život o cca 5 let po léčbě, protože tak jsou statistiky úspěšnosti dělány a efektivita prokazována.

Pokud vynechám analytickou biochemii, resp. analytickou chemii při diagnostice, pak se pro transplantace, léčbu popálenim atp., používají polymerní, keramické, kovové nebo skleněné implantáty a neexistuje způsob jak zhojit epidermis bioléčbou a i když se bioléčiva začínají patentovat jde o zcela marginální účinky.

Genomika představovala jistě nadějnou cestu, ale bohužel výsledky vzhledem k prostředkům jsou naprosto tristní. Je například naprosto nepoužitelná při imunoterapiích, takže nejde dlouhodobě nahradit ani tak "funkčně primitivní" orgán jakým je srdce. Materiální inženýři umělé funkční srdce sice vytvoří ale imunologové nejsou s to říci, jak má vypadat, aby ho tělo přijalo.

Tím nechci napadat genomiku jako obor, jen trochu zchladit výkřiky o DNA terapiích a tzv. kmenových buňkách. Například prof. Holý použil naprosto brutální organickou chemii pro syntézu svého léčiva a biochemiky to nechal jen testovat. Kdyby kolega znal i jiné organismy než lidské, věděl by, že některé diferencované tkáně v průběhu fytogeneze se mění opět v "kmenové" anebo jinak diferencované.

Michal Podhajský

Libor Dušek řekl(a)...

Super článek. Díky.

Anonymní řekl(a)...

ad Jirků : Ono už nějakých 5 let si můžete nechat za pár tisíc vyjet svoji DNA , resp. genetickou diagnozu důležitých nemocí např. v USA ale i kdekoliv v Evropě. Pokud je mi známo, terapeutický (preventivní) efekt je naprosto minimální. Podle mě genominka opakovaně slibuje něco, co není a nebude schopna splnit, a objevy mikribiologie, především parazitologie z 19. a poč. 20.století se opakovat nebudou. Enzymatický mechanismus člověka opravdu nefunguje jako ve Voetovi a kol. a vše je daleko složitější.

I když především v USA jsou daleko, tak například tak primitivní věc jakým je apoptoza (programovaný zánik buňky) je věc naprosto fascinující ale zatím bez šance, jak ověřit jakékoli hypotézy.Chceme ničit rakovinu, ale jak buńka umírá vídíme jen v mlze.

Samozřejmě přeji p. Dientsbearovi v práci co nejlepší, ale zdravý pesimismus v molekulární biologii je opravdu zcela na místě. Už tolikrát jsem se spletly, že i návrat k junk DNA je zcela jistě další slepou uličkou.

Václav Hutka

Anonymní řekl(a)...

Právo nemá problém se zmiňovaným případem, tj. že by nebyl znám biologický otec, resp. že by vůbec neexistoval. Naopak právě jen v právu (a to už více jak 2000 let) může být zákonným otcem naprosto impotentní člověk (osvojení), přestože biologický otec existuje. Zrovna tak se ukázaly liché hrozby lékařů, že by se vrátila eugenika díky genovým analýzám a modifikacím. Nechá se na to rozhodnutí jedince a s tím má právo dlouhodobé zkušenosti.

Jen pro upřesnění uvádím, že jsou organismy bez vlastní DNA anebo organismy, které přenesou RNA do DNA. Také bych doplnil, že přestože náklady na čtení genomu byly veliké, genom přesně přečten nebyl, zvlášť v jednom případě "rozsekání" šroubovice, je to pochybné. Ale pro laiky to není třeba dramatizovat, v podstatě jde o sekvenční chemickou analýzu známých látek a netřeba v tom hledat něco hodně komplikovaného (v porovnání s jadernou nebo organickou chemií, kde se z NMR nedá pořádně zjistit, co se to v té baňce vůbec nachází). Stejně jako v případě ovce Dolly je to hlavně o mediální masáži.

Souvisí genom opravdu s právem ? Má na právo genom nějaký impact ? Sám autor píše, že DNA zprostředkovává regulaci, enzymatická výbava a různé agents pak říkají, zda a co se má z DNA transkriptovat a translatovat do aminokyselin.
Mimochodem za posledních 60 let se pojem genu 3x úplně změnil, viz. například antigen a dnes je moderní to vidění genu jako CD, podle kterého to jede. Ale to je nejen hodně zjednodušené, navíc to není úplně pravda.

Pro právní teorii v dnešní době mi přijde zajímavější pohled na sexualitu a především pohlavní rozmožování a rodičovství z pozice evoluční biologie a etologie.

Zdeněk Hrbáček

Anonymní řekl(a)...

Nejsem schopen se svým právnickým vzdělání posoudit, zda bylo přečtení jednoho lidského genomu opravdu tak důležité, ale co o tom vím, existuje zásadní spor o interpretaci DNA mezi biology. Zmiňovaní "mystici z Viničné" stejně jako spousty podobných "alternativních" skupin vůbec nezpochybňují zásadní funkci DNA při dědění, tvorbě proteinů atp., ale odmítají vidět genom jako nějaký jízdní řád, který determinuje veškeré patologie jedince. V tom se postupně ukazuje oprávněnost podobných "chartistů". Mají daleko blíže k právním teoretikům a výkladovým problémům známých z práva, protože neříkají nic jiného než že v biologii je zásadní intepretace a jazyk.
Chtějí také říci, že intereptace biologického výzkumu je věcí subjektu a ambiente doby a užitého jazyka (odlišnosti mezi biology z Německa a UK, katolíky a protestanty a protestanty navzájem) a není tedy objektivní jako např. fyzika nebo chemie. Dnešní unifikace výlsedků v AJ rozdíly částečně setřela, ale také vědecká vyjádření ochudila. Například to dokazují na tzv. centrálním dogmatu biologie, kdy se pravda ustanovila de facto hlasováním. Analogizují vědeckou komunitu k církvi, a to jak co do pyramidální struktury, ochrany dogmatu a vylučování heretiků a blasfemistů, tak i do co vytváření pravdy atp. Ne všem se to samozřejmě líbí, ale už to, že dosáhnou na zahraniční granty signalizuje něco o tom, že podobní skeptici existují i jinde a naši se mezi nimi neztratí.

Honza Uličný

Anonymní řekl(a)...

Ad Jirků
Tkáňové inženýrství zatím není schopno připravit živou tkáň dle existujícího vzoru. Navíc na léčení rakoviny, Parkinsona nebo třeba přerušení míchy nová tkáň nestačí, to už víme z transplatačních pokusů živé tkáně. V tom tedy s Vámi souhlasím.

Ohledně DNA šlo v případě popisu lidského genomu hlavně o realizaci staré myšlenky, že by DNA současně spojovalo a odlišovalo vše živé, a proto se očekávala větší variace. V současné době leading paradigma chybí a funkční genomika trochu tápe. Databází je plno, ale korelace s onemocněními je nízká. I proto se vědci obrátili na junk oblasti a zkoumají tzv. introny. Nakonec o tom, že původní mechanistické představy o DNA selhaly víme např. z imunologie, která musela během 20 let překopat 90% svého fundamentu, a přitom jsem jen na dalším začátku.

Michal Průcha

Anonymní řekl(a)...

Mne by docela zajímal Váš názor zda v této oblasti výzkumu, jehož výsledky jdou "proti přírodě" bude vždy vše patentovatelné nebo si myslíte, že by to mělo mít nějakou hranici ..

Martin Dvořák

Miloslav Ponkrác řekl(a)...

Mně stále ještě žádný vědec nevysvětlil jednu věc co se týká genetiky, takže využiji, že je zde expert.

Informace uložená v jedné DNA, tedy ty 3 miliardy „písmenek“, přičemž písmenko je jednou ze 4 možností dává dohromady 3 miliardy × 2 bity informace = 6 miliard bitů informace.

6 miliard bitů informace = 750 miliónů bajtů informace = 715,26 MB informace.

Tedy jak píšete jedno CD.

Není absolutně možné na jedno CD, tedy v tomto rozsahu informací, uložit veškeré „plány člověka“ s jeho konstrukcí, funkčností, osobnostními rysy a dalším.

Stále se ovšem dozvídám, že je to DNA, ve které jsou uloženy všechny vlastnosti. Což je značný nepoměr vzhledem k malému nožství informace, které lze do DNA uložit. Do DNA to prostě není možné nacpat tuto sumu informací.

Co dělám v úvaze špatně? Jak to tedy je?

Děkuji za odpověď.

Miloslav Ponkrác

Anonymní řekl(a)...

ad pan Miloslav Ponkrác:

Uvažujete tvůrčím způsobem. Myslím si však, že pomocí 6 mld. bitů se člověk možná popsat dá. Omlouvám se za přirovnání na úrovni komerční televize a za případné početní chyby:

/1/ 6 mld bitů (tedy: 6.000.000.000) je čtverec o straně 774 metrů, rozdělený na centimetrové čtverečky, každý z nich může být bílý nebo černý. Názorně: stojím na rozhledně s dalekohledem v ruce a mám takovou mozaiku na zemi rozprostřenou. To už mi připadá jako celkem dost informace.

/2/ Zejména pak genom není fotografie mapující všechny buňky člověka v době narození, což by bylo málo efektivní uložení informace. Spíš je to něco jako výpis programu, resp. instrukce pro někoho, kdo něco staví. K tomu dvě ilustrace toho, že pomocí málo bitů lze vygenerovat i dosti složité chování:

/2a/ Kdo hrával hry na ZX-Spectru, pamatuje si, jak nesmírně variabilní je chování počítače na základě programu, jehož délka byla omezena 64kB, tedy asi 0,5 miliónu bitů. Vtip je v tom, že programátor jen jednou (dlouze) popíše, jak vypadá cihlička ve zdi bludiště, a pak už jen (krátce) uvádí polohu, kde budou a kde nebudou cihličky, ale neopakuje jejich popis.

/2b/ Pomocí pouhých 118 bitů, pokud mě Excel neklame, můžeme zakódovat číslo "32!", tedy pořadí hracích karet, a tedy jakoukoliv sehrávku mariáše. To za předpokladu, že hráči se vždy řídí podle nějaké své pevně dané strategie, což většina mariášníků dělá. Tedy: strategii každého hráče stačí v kódu popsat jen jednou, a pak přidat vždy těch 118 bitů (pořadí karet) a dává to velmi složité výstupy.

Anonymní řekl(a)...

ad Ponkrác : správně by to bylo asi lepší počítat na aminokyseliny (tedy kod CCG) a ne všechny kombinace tělo rozezná, takže těch bitů je ještě méně. Zásadní chyba ale je , že si myslíte, že DNA nějak souvisí s tvarem zubu, velikostí nosu, prsou atp. Pohled buňky se od pohledu a pojmosloví člověka trochu liší :-) Opačně DNA mitochondrie, která se dědí jen po matce, jste do bitů nezapočítal.

Například citrátový cyklus, glykolýza, beta-aminace atp. (tedy buněčné dýchání, tvorba
cukrů a tuků v tělě a jejich odbourávání) je na DNA zcela nezávislé (vytváří i spotřebovává si samo své ATP) a například velikost zubů určí "tělo" tak, že rostou proti sobě a dokud nenarazí na sousedy, tak rostou (mystici z Viničné měly o tom článek před 5 lety v Nature).

S tělem je to jako s kvantovkou, přísný determinismus k cíli nevede. A jen tak pro zajímavost, doposud ani nevíme, proč některá buňka vznikne jako velká a některá malá, jak se to reguluje.

Jiří Malý

Tomáš Pecina řekl(a)...

Ad MP:

Analogie s programováním se použitelná. Představte si lidský genom jako program umožňující vytvářet a spravovat počítačovou databasi (např. MySQL, dBase, MS Access apod.), a lidské tělo jako obsah této database. Do ní se ukládají nové informace každým dalším buněčným dělením, ale také např. metabolismem nebo vyšší nervovou činností (ukládání vzpomínek). Shodný máme všichni jen tento database manager, obsah DB je individuální a z hlediska velikosti informace podstatně rozsáhlejší.

Jinak mtDNA jsou jen "drobné", tu můžete při výpočtech klidně zanedbat.

Anonymní řekl(a)...

S programováním nemá DNA společného. Tělo a jeho vznik se řídí spoustou jiných a daleko průraznějších zákonitostí než je sekvence bází v DNA.
Především pro organismus platí oba Fickovy zákony, které jsou naprosto fundamentální a bez nich by byl prostup buněčnou stěnou možný jen enzymaticky, příp. za užití ATP (energie). Bez toho by buňka nemohla přijímat vodu, těžko by se nastartovala endocytoza (přijimání látky), exocytoza.

Dále platí snaha o minimum volné Gibsovy energy (tvorba a struktura kostí, šlach atp., tvary těla), teorie regulární roztoků, osmoza, povrchové napětí atp.

Za další platí zákony organické chemie (nukleofolita a bazalita), možnosti eliminace, substituce atp. Například Krebbsův cyklus jako zásadní cesta od glykolýzy k tvrobě Co2 a ATP (energie).
Nic z výše uvedeného neouvisí s DNA a přitom např. Krebbs není typický pro všechny organismy stejně jako C3/C4 fotosyntéza, takže nelze říci, že tyto schopnosti mají všechny živé organismy.

V těle musí být od prvopočátku anorganické ionty (Na,K,Fe,Cl-, PO3-), které také DNA nevytvoří.

Představa, že DNA je takový jízdní řád je sice lákáva, ale nic takového se prostě neukazuje. Transkripce, translace do proteionové zásoby jsou hybatelkou změn v těle, ale nikolv jedinou. Většina nemocí souvisí s naprosto banálními nechtěnými chemickými a fyzikálními reakcemi (percipitace iontů) a změnou DNA je nevyléčíte, stejně jako 99% typů rakoviny.

Petr Hlásek

Miloslav Ponkrác řekl(a)...

Reakce na Anonymní 02.01.13 0:42:

Ad 1,2,3) Konstrukce těla není (pouze) konstrukce 2D obrazu.

Ad 4) Číslo 32! můžete zakódovat klidně do 1 bitu. Záleži na způsobu kódování a na množství všech možností, které kód bude vybírat.

xxxxxxxxxxxxxxxxxx

Reakce na Jiří Malý:

Pojmosloví je nepodstatné, příroda se jím neřídí a je jí zcela putna, jak si to angičtina či čeština či věda nazve.

Například nedávné dehonestování Pluta z planetky na planetku nezměnilo ve sluneční soustavě vůbec nic. Pluto se chová naprosto a do puntíku stejně jako před tím.

Přesně jste ale trefil, co mám na mysli – všude se dočtete (a i já se to učím a budu tvrdit u státnic za necelý měsíc), že všechny informace se přenáší GENETICKY přes DNA a podobné.

Logicky to není pravda. Podle množství informace v DNA potvorách se naopak drtivá většina informace musí předat jinou informační cestou.

Chci využít vzácné příležitosti a zeptat se expertů jak to je. Kde dělám chybu. Protože věřím, že pro experta je to samozřejmé a zná vysvětlení, a já jako laik jsem zvědavý.

Miloslav Ponkrác

Anonymní řekl(a)...

Ohledně bitů. Nezapomínejte také na to, že jaderná DNA se nečte jako celek, ale po částech, přeházeně a některé části opakovaně.


Pojmosloví je podstatné, např. tvar obličeje nebo magnetismus jsou objektivně dané a experimentálně prokazatelné pojmy, kterým lidé rozumí, ale ani v jednom případě nenajdete jedinou příčinu (např. zápis DNA tváře nebo určitý spin elektronu), která by je způsobovala. Zatímco například změnu Ph jistě další aminokyselina změní.
Mám na mysli, že i když přijmete zjednodušující fakt, že DNA drží genetickou informaci, tak jediným výsledkem (z pohledu buňky samé) je tvorba aminokyseliny, případně nouzové zpracování DNA na ATP, když už není žádná zásoba cukrů nebo tuků.
K tomu, abyste měl tvar lebky podobný otci musíte mít část jeho DNA jako svou vlastní, správný opravný mechanismus DNA polymerasa atp. a pak stejné regulační procesy (medicínsky řečeno musíte být po početí stejně nemocný jako byl on v době svého početí). Například pokud DNA vytvoří o jeden protein navíc nebo např. míň oproti předku (záleží o jakou enzymatickou regulaci jde), tak vám vznikne oproti jinému větší brada (tedy kost), to že se vám ale brada prodlouží ve středu a nikoli náhodně stejně jako že se vám pokryje větší plochou kůže už je řešeno jinými mechanismy (fyzikálně-chemickými).

Ono když si uvědomíte, že člověk je fyzicky hotový de facto za devět měsíců, resp. ještě daleko dřív a pak už jen bobtná, tak k tomu mu stačí glukogeneze a tvorba tuků a DNA by nepotřeboval.

Co Vám tedy chybí ? Jednak celý fyziologický aparát matky, např. imunologický, který chrání dítě do cca 6 měsíců po narození, dále další kompartmenty buňky z matky a otce (ribozomy, Golgiho aparát, vnitřní "výstuž" atp.), mitochondriální DNA .

Jiří Malý

Miloslav Ponkrác řekl(a)...

Petr Hlásek, Tomáš Pecina
==========================

DNA má s programováním společného to, že je to pouze uskladněná informace – ktterá podle teorie informace obsahuje objem něco přes 700 MB informace.

Ta informace je k ničemu, pokud neexistuje stroj (jedno jestli počítač, buněčný proces či cokoli jiného), který je schopen tu informaci přečíst a k něčemu využít.

To je obecný princip zcela nezávislý na vědeckém či praktickém oboru, o kterém mluvíme.

DNA je podle všeho, co jsem na univerzitě pochopil (mohu se mýlit, proto využívám té vzácné příležitosti, abych byl opraven), zcela digitální záznamem.

Přiznám se, že jsem laik, takže komentář pana Hláska obsahuje pro mě některé nové pojmy.

Ale moje podezření (píši podezření, protože je nemohu podložit znalostmi) je stejné, DNA a posl. určují jen některé procesy, jiné jsou řízeny jinými mechanismy, třeba využitím přirozených fyzikálních i jiných zákonů.

Nicméně po zkoumání se mi zdá, že množství informace potřebné k „sestavení člověka“ i přes využití samovolných procesů je větší, než by v DNA mohla být.

Dokonce bych řekl, že DNA a příbuzné musí být velmi minoritní přenašečkou informace, a to i v dědičnosti – soudě podle velmi malého množství informace v ní.

Ale znovu říkám, nejsem odborník, jen je zde nějaká věc, kterou nechápu.

Miloslav Ponkrác

Anonymní řekl(a)...

Myšlenkové doporučuji syntetický postup. Vemte izolovanou DNA člověka (nějak si spočítejte ty vaše Bity), laboratorně to není problém, a řekněte, co k tomu potřebuji, aby vznikl člověk (a dopočítejte si ty Vaše Bity, pokud to umíte). A pak obě čísla porovnejte.

První co mě napadne, je jak bylo napsáno výše, musí existovat všechny části buňky (k tomu je nutný DNA předka/ů a k tomu je nutný ....), dále musí platit fyzikální zákony jako na zemi, jinak by buňku roztrhal osmotický tlak atp., Gibbs atp. Na buňce, resp. skrz stěnu musí existovat receptory atp.
Tedy vložíme DNA do cizí buňky. Kdo řekne, kdy se bude DNA číst,m převádět na RNA a následně do ptoteinů ? Možnosti jsou dvě. Sama DNA nebo mechanismy v existující buňce. Pravděpodobnější je, že transkripci a translaci dělají mechanismy v "staré" buňce.

Může exprese DNA způsobit vznik biochemických procesů v těle typu tvorba a užití cukrů, tuků a jejich převo na ATP nebo musí tyto prcesy fungovat před přijetím DNA?



Jana Červená


Anonymní řekl(a)...

Anonym z 2.1.2013 v 0:42h, který se předtím zapomněl podepsat, nyní doplňuje:

Panu Ponkrácovi jde asi čistě o to, zda všechny různé myslitelné novorozence lze z hlediska MNOŽSTVÍ INFORMACE jednoznačně popsat pomocí 600 MB.

Takový dotaz má smysl. Např. pokud by nám biologové tvrdili, že dědičná informace obsahuje jen 10 bitů, potom by se na světě mohlo rodit nanejvýš 1024 různých novorozenců ("furt dokola").

Příspěvek Jany Červené mi to zodpověděl tak, řeknu to laicky, že drtivou většinu informace má již samotná matka. A ta informace spočívá v tom, že má vyrobit človíčka (a ne třeba žížalu).

Pro jednoduchost si to představím následovně, a opakuji, že se mi jedná jenom o zjištění počtu možných různých novorozenců, nikoliv o mechanismus jejich vzniku.

Tedy představuji si, že nedostane-li matka vůbec žádnou dodatečnou informaci, tedy s informací nula bitů, naklonuje identicky sama sebe.

Každá další dodatečná informace jí pak slouží k nějaké modifikaci svého potomka. Přičemž těchto dodatečných informací ona dostane 600 miliónů bitů.

Je to, jako kdyby mohla klást otázky typu ano/ne, např. Mám dítěti změnit pohlaví na opačné? Mám mu zesvětlit vlasy o jeden odstín? Prodloužit tělo o 1%? A těchto odpovědí dostane 6 miliard. Kdyby kladla jednu otázku za vteřinu, stráví tím 6 mld. vteřin, tedy 190 let.

To už je podle mě dost možností, kolik se může narodit různých novorozenců. Je to číslo 2 umocněné na 6 miliard.

Pan Ponkrác mě správně nachytal při chybě - pomocí 118 bitů se zakóduje libovolné číslo 1 až 32! (nikoliv číslo 32!, jak jsem napsal). Ale trvám na tom, že jestliže dotaz byl matematického charakteru (množství informace), tak pro tyto účely skutečně LZE redukovat člověka na zmapování podoby a polohy všech jeho buněk v okamžiku zrodu (nebo početí).

Miroslav Skala

Martin Dienstbier řekl(a)...

Dobrý den,
Jsem potěšen množstvím reakcí na článek. Kvůli vánočně-novoročnímu odpojení od internetu se k nim bohužel dostávám až nyní, takže se omlouvám pokud nějakou poznámku/dotaz přeskočím.


Několikrát se objevilo zklamání nad nenaplněním určitých očekávání. Domnívám se, že je to částečně i kvůli tomu, jak se o vědeckých objevech referuje v běžných médiích (senzacechtivost spojená s obecně špatnou úrovní znalostí). Jak už jsem psal výše: téměř vše co se dočtete je v současnosti přehnané (nicméně řada se v budoucnosti realitou opravdu stane). Bohužel zázraky se nedějí na počkání a využití vědeckých objevů je někdy spíše otázkou mnoha desetiletí než let.
Kritizovat konrétně genomiku z nenaplnění očekávání mi ale přijde určitě nefér. Je pravda, že DNA jako nositelka genetické informace je známa už přes padesát let (a mimochodem opravdu znamenala revoluci ve veškeré biologii a postupně i medicíně, přestože uznávám se to tak třeba z každodenního života zatím zdát nemusí). Každopádně třeba lidský genom známe teprve necelých deset let a technologie, které umožňují jeho rutinní analýzu jsou staré jen pár let (podobně je to i s kmenovými buňkami). Takže počkejme, než budeme vynášet soudy. Osobně jsem naopak přesvědčen, že genomika je jedna z oblastí, kde od „objevů“ k aplikacím uplyne nejkratší doba (byť, jak jsem psal výše, na „úplném“ pochopení lidského genomu budeme bádat klidně ještě dalších sto let).

Martin Dienstbier řekl(a)...

Miloslave,bohužel Vás asi zklamu, protože jak je na “ jedno CDčko“ možné zakódovat člověka Vám asi neobjasním. Sice Vám trochu ten počet bitů dědičné informace rozšířím tím, že kromě samotných čtyř bazí DNA se na našem utváření podílí ještě tzv. epigenom, který tvoří zejména methylace bazí a modifikace molekul histonů a který kromě toho, že je částečně dědičný, tak může být utvářen i prostředím. Chápu ale, že i tak se to může někomu zdát na celého člověka „málo“.
Všechny analogie jsou samozřejmě zavádějící, mě se ale ta počítačová docela líbí. Osobně bych opravdu chápal genetickou informaci jako určitý kód, který je pak vykonáván obrovským počítačem, který využívá veškěrých fyzikálních a chemických interakcí. Jak již tu správně uvedl třeba Jiří ,v tomto „počítači“ lze některé vývojové procesy „zakódovat“ velice elegantně, pomocí různých samoorganizačních mechanismů.


Prosím nezaměňovat následující dvě tvrzení: „nevíme jak je určitý komplexní jev v DNA/RNA/epigenomu zakódován“ a „víme, že tento jev pomocí DNA/RNA/epigenomu zakódován není“. Zatímco těch prvních případů je určitě spousta, v druhém případě se rád nechám poučit, neboť nevím o žádném. Zde uváděné příklady různých metabolických drah samozřejmě s DNA úzce souvisí (enzymy, stejně jako jiné proteiny, jsou vytvářeny na základě instrukcí v DNA).
Přiznávám, že asi nejsem zcela obeznámen s různými mystickými či alternativními směry zde zmiňovanými, ale osobně zatím pro hledání „alternativ“ nevidím žádný důvod.


Samozřejmě nepopírám, že nás možná čeká ještě hodně „překvapení“, nicméně narozdíl od některých jiných oborů, nové objevy v biologii obvykle neruší ty předchozí, spíše je doplňují a posouvají hranice toho, čemu rozumíme. Např. centrální dogma (tedy tok DNA->RNA->protein) se neukázalo být špatně, pouze neúplné (doplnily se šipky opačným směrem, nové kategorie nekódujících RNA,...). Nejsem si však vědom, že by věda musela couvat z nějakých dlouhých uliček omylů.


Určitě bych se ohradil vůči tomu, že spousta věcí je jen otázkou terminologie a že třeba tzv. centrální dogma molekulární biologie se určilo nějakým hlasováním. Takhle opravdu věda nefunguje. Ani chápání genu se od 60. let neměnilo nijak dramaticky – antigen je něco úplně jiného (antibody generator – imunologie) a s definicí genu nijak nesouvisí.


Rozumím, že rakovina je velké téma. Je však třeba si uvědomit, že rakovina není jedna nemoc. Nekontrolované dělení buněk může mít spoustu různých příčin. Proto také asi nelze ani očekávat, že by byl někdy na rakovinu jeden universální lék. Každopádně rakovina je ve 100% případů způsobená právě změnami v DNA (a kdybychom třeba kontrolovaně změnit DNA v buňkách nádoru uměli, tak ji tím i vyléčíme – to však bohužel zatím neumíme). Právě znalost genomu (a transcriptomu a proteomu) nádorových buněk je klíčem k tomu, abychom se od těch nespecifických cytostatic mohli posunout k cílené léčbě. Takže, přestože váš lékař asi přímo s analýzou DNA zatím nepracuje, pokud by vám tvrdil, že „DNA má marginální vliv“, pak vám radím toho lékaře změnit.


Jinak mě docela překvapuje, že jak zde, tak i v předchozí diskusi, se vyskytovala určitá skepse k molekulární biologii a naopak obdiv třeba k chemii. Rozumím tomu, že v ČR existuje třeba určitá glorifikace prof. Holého (z velké části poprávu – chemik byl určitě výtečný). Ale jeho syntetické schopnosti by nikdy k žádnému léku nevedly, kdyby předtím molekulární biologové nepochopili jak je virová DNA syntetizována a kdyby jeho spolupracovníci nevyvinuly eseje, jak účinnost jeho chemikálií testovat.

Martin Dienstbier řekl(a)...

Martine, osobně si myslím, že aplikaci výzkumu v kontroverzních oblastech je opravdu třeba nastavit určité morální a právní hranice (více v dalším článku). Co se týče patentů, tak o patentovatelnost genů a jejich využití se naustále vedou spory (pokud by Vás to zajímalo, doporučil bych například nastudovat právní spor společnosti Myriad a jejího patentu na geny BRCA).

Tomáš Pecina řekl(a)...

Ad MP: Žádný program vám nepoběží bez počítače, to je přece triviálně jasné.

Anonymní řekl(a)...

Nechci se vám míchat do právnické diskuse. Jen pár postřehů :
1/ Není úplně pravda, že vždy nekontrolvoaný růst nebo dělení buněk způsobí DNA, resp. její změna, ale u většiny případů se to předpokládá. Je ale nutné doplnit, že nejde o informaci, která by se dědila. Typ rakoviny, která se dědí, je poměrně vzácný, což vede k doměnkám, že samotná mutace nestačí (mutace by se totiž měla zdědit).

2/ Hlasování je celkem běžný postup, jak prosadit ve vědě pravdu, viz. např. hádky Bohr-Schredinger-Einstein, které se řešili na nějaké konferenci v S. Schredinger následně prohlásilm, že kdyby věděl, co způsobí, že by se na to vykašlal a také se na to vykašlal. Bohr pak na Einsteina měl blasfemické hlášky. I to k vědě patří.

3/ Centrální dogma MB platí v modifikované formě (jestli to tak lze nazvat, i když formálně vzato jednosměrné cesty nejsou pravdivé a těch RNA je dnes tolik, že už se ani nevi, zda je to ještě RNA).
Název dogma to získalo omylem, autor chybně myslel, že dogma je něco zjevného a nikoliv nedokazatelného.

4/ Těch slepých cest bylo hodně, kolega je asi ještě fresh. Lamarkismus byl živý hodně dlouho, pak ho CD zničilo a koukejme, zase se objevuje .

Miroslav Potužný