Genetická variabilita

Již roku 1910 popsali variaci výstižně E. W. Sinnott a L. C. Dunn: „...Jakkoli jsou si jedinci dědičně podobní, nikdy nejsou přesně stejní. Mezi bratry a sestrami nejsou nikdy dva sourozenci přesně stejní, ale každý má své vlastní určité zvláštnosti ... tyto rozdíly se obecně nazývají variace. Mnoho z nich je způsobeno rozdělováním znaků mezi různé potomky podle určité metody dědičnosti. Mnoho jiných je však způsobeno rozdíly v teplotě, světle, vlhkosti a dalších faktorech v prostředí...“

Dnes je dostatečně známo, že variabilita mezi jedinci má svou složku dědičnou, podmíněnou geny, a složku nedědičnou, podmíněnou prostředím. Genetika se zabývá dědičnou složkou variace, zatímco nedědičnou složkou se zabývá jen potud, aby ji oddělila od složky dědičné. Vliv prostředí pak genetika studuje ve vztahu k projevu genů, jeho vlivu na trvalé dědičné změny (mutace) apod.

Dědičnost se často zúženě definuje jako proces způsobující, že se potomci podobají svým rodičům. Pod dědičným znakem, vlastností nebo chorobou se pak mylně rozumí ten znak, ve kterém se potomek shoduje s rodičem. (My ovšem víme, že se nedědí hotové znaky, nýbrž vlohy neboli geny pro tyto znaky, které se v závislosti na prostředí mohou ale nemusí projevit jako viditelné znaky.)

Jestliže sledujeme, do jaké míry mají potomci shodné znaky s rodiči, pak zároveň určujeme, jak dalece se od nich i vzájemně mezi sebou odlišují. Podobnost i nepodobnost jsou zde dvě strany téže mince a genetika se zabývá příčinami těchto podobností či rozdílů a způsobem, jakým jsou přenášeny z generace na generaci. Zde se soustředíme na dědičnou nepodobnost, tj. genetickou variabilitu (rozmanitost či diverzitu), která je podstatnou vlastností všech živých organizmů.

Rozdíly či alternativy jsou pro studium dědičnosti dokonce mnohem důležitější než podobnosti. Kdyby se např. u člověka nevyskytla polydaktylie (víceprstost), nikdy bychom neodhalili, že počet prstů na končetinách je podmíněn geny (zde dokonce jediným genem) a podobně. Ostatně, tento přístup, učit se z rozdílů, je obecný a neomezuje se tedy jen na dědičnost.

Ke zvýšení genetické rozmanitosti mohou přispět nově vznikající varianty genů, mutantní alely. Mutace jsou jediným zdrojem nové genetické informace. Avšak vzhledem k jejich velmi nízké spontánní četnosti a k dalším faktorům hrají samotné mutace nevýznamnou roli při vytváření genetické variability v populacích.

Genetická variabilita je dána především samotným obrovským množstvím genetické informace zakódované v molekulách DNA (deoxyribonukleové kyseliny) přítomných v jádrech buněk ve formě chromozomů. Jako příklad obrovského množství genetické informace uveďme člověka, i když obdobně to platí i pro jiné druhy. Podívejme se, jaká je genetická podstata toho, proč jsme každý jiný co se týče znaků, vlastností, mentálních schopností, reakcí apod.

Jedinec se svými asi 100 miliardami (10¹¹) buněk vzniká dělením z původně jediné buňky, zygoty, která vznikla spojením dvou pohlavních buněk, vajíčka a spermie. Již v původní jediné buňce, zygotě, je obsažena veškerá genetická informace pro „celého“ člověka. Tato kompletní informace je zakódována v chemickém složení molekul DNA, která u člověka tvoří 23 párových útvarů – chromozomů. Každý chromozom člověka je vláknem DNA o průměrné délce 50 mm, to znamená, že celková délka DNA molekul v jádře každé buňky je zhruba 2 m! K tomu, aby se to vše „směstnalo“ do buněčného jádra o průměru asi 5m, existují velmi důmyslné mechanizmy vinutí a kontrakce vláken DNA. Odhaduje se, že na těchto chromozomech je lokalizováno přibližně 50 000 (střední odhad) strukturních genů, které determinují znaky a vlastnosti organizmu. (Dosud však neznáme všechny znaky, které jsou těmito geny kódovány). Každá z funkčních jednotek, tj. genů, je přítomna dvakrát, a navíc se může vyskytovat v mnoha, třeba i desítkách a stovkách různých variant, nazývaných alely. Existence párových jednotek dědičnosti, které se vyskytují v různých variantách (tzv. genetický polymorfizmus), je základním faktorem genetické rozmanitosti. Např. jeden z genů imunitního systému člověka HLA-B se vyskytuje ve více než 30 variantách — obsahuje více než 30 alel. Počet párových kombinací těchto alel u jedinců, neboli počet různých genotypů, je pak asi 500, přesně n(n+1)/2. Množství těchto kombinací nesmírně vzroste, uvažujeme-li o všech polymorfních genech daného organizmu.

Při přenosu genů na potomstvo prostřednictvím pohlavních buněk se podle principu segregace a kombinace párových jednotek dědičnosti – genů – může vytvořit obrovské množství geneticky rozmanitých pohlavních buněk (gamet). Principy segregace a kombinace genů, které formuloval J. G. Mendel již před více než sto lety, jsou základními principy v genetice.

I když později byla prokázána důležitá výjimka z principu nezávislé kombinace genů, spektrum všech možných kombinací zůstává zachované, pouze pravděpodobnost některých kombinací genů (resp. jejich alel) v gametách je nižší. Týká se to genů lokalizovaných na stejném chromozomu, jež mají tendenci rozcházet se do gamet společně a mohou rekombinovat pouze po fyzické výměně částí párových chromozomů mechanizmem tzv. crossing-overu.

Každý člověk obsahuje podle experimentálních odhadů asi 6,7 % genů ve dvou odlišných variantách. Říkáme, že je pro tyto geny heterozygotní. Při tvorbě gamet podle Mendelova principu segregace a kombinace a při středním odhadu počtu genů u člověka dojdeme k výpočtu, že počet geneticky různých typů pohlavních buněk jedince je asi 10¹⁰⁰⁰. Takovéto množství gamet nemůže vytvořit nejen jednotlivá lidská bytost, ale ani všichni lidé za dobu existence lidstva. Tento počet možných typů gamet je dokonce nesrovnatelně vyšší než současné odhady protonů a neutronů ve vesmíru.

Kombinace a rekombinace genů tak představují při přenosu genetické informace z rodičů na potomky dva hlavní mechanizmy zajišťující genetickou rozmanitost gamet, a tím i potomků z těchto gamet vzniklých.

Při spojení těchto geneticky různých druhů gamet pak vzniká jedinečná kombinace genů, a tedy žádní dva lidé z celého počtu lidí žijících na Zemi (nebo žijících v minulosti), ani těch, kteří se narodí ve vzdálené budoucnosti, nemohou být geneticky shodní (s výjimkou jednovaječných dvojčat).

Zároveň je však každý jedinec pomíjivou kombinací genů, poněvadž jedinečná sestava genů jednotlivce, jeho genetický „makeup“, zaniká jeho smrtí. Zcela zákonitě se náhodně vyskytnou výjimečné kombinace genů. George C. Williams nazval tyto genotypy „sisyfovské“, přičemž měl na mysli výjimečné kombinace mentálních a atletických schopností. Jako mytologický král Sisyfos valí za trest v podsvětí do kopce těžký kámen, aby se mu vždy u samého vrcholu zřítil dolů, tak i z genového fondu člověka se vytvářejí náhodně na různých místech „géniové“ jenom proto, aby se v příští generaci tato kombinace rozpadla.

Jedinou možností zachování alespoň části genetické výbavy jednotlivého člověka je její přenos prostřednictvím pohlavních buněk na potomstvo. Proto se může říct s určitou nadsázkou, že úspěšnost člověka z genetického pohledu se dá měřit počtem genů, které se mu podaří předat následujícím generacím. Slavný britský genetik G. B. S. Haldane kdysi žertem uvedl, že by svůj život vyměnil za tři bratry nebo devět bratranců a sestřenic. Matematická logika jeho výroku byla odvozena z počtu genů sdílených s jeho sourozenci či bratranci a sestřenicemi — z koeficientu příbuznosti. Jestliže by jeho příbuzní měli více potomků než on sám, pak by v další generaci bylo přítomno více „jeho“ genů, i když by byly rozptýleny mezi více osob.

Genetická informace jedince, jeho DNA, je vlastně složena ze stejných příspěvků všech předků v kterékoli dané generaci. Každý z nás má například více než 200 předků, kteří žili v roce 1700, a každý z nich přispěl malým podílem ke genetické výbavě žijícího potomka.

Zatím jsme demonstrovali genetickou variabilitu z hlediska klasické genetiky, kdy jednotkou genetické informace je gen, tedy část chromozomu (molekuly DNA), která je naprogramována k tvorbě určitého znaku či funkce organizmu. Jiný přístup je pohled molekulárněgenetický. Ten je v souladu s uvedenou koncepcí klasické genetiky, avšak tím, že může ještě blíže definovat zápis genetické informace uvnitř každého jednotlivého genu, rozšiřuje obsah uchovávané genetické informace, a tudíž spektrum genetické rozmanitosti. Jednotlivé geny jsou tvořeny množstvím základních stavebních kamenů, jejichž podstatnou částí v DNA pro zápis genetické informace jsou nukleotidy s bázemi adeninem, tyminem, cytozinem a guaninem. Zjednodušeně řečeno, různé kombinace tří z těchto bází tvoří genetický kód, „kód života“, nejmenší genetickou informační jednotku buňky. Každá funkční jednotka – gen – je tvořena průměrně asi 1000 bází. Z toho pohledu pak sada chromozomů člověka obsahuje asi 3,5 miliardy bází. Je to tak velké množství, že by tištěný kompletní katalog genetické informace přítomné v jádře každé buňky člověka (zapsaný pomocí sledu nukleotidových bází) zabral 134 sad kompletních svazků Britanniky. Nebo kdybychom si jej prohlíželi na obrazovce počítače a dívali se na každou nukleotidovou bázi jednu sekundu, trvalo by nám při osmihodinové pracovní době přes dva roky, než bychom přehlédli celou molekulu DNA. Toto obrovské množství genetické informace zároveň v sobě skrývá kvantitativně ještě více rozdílů mezi jedinci. M. Kimura (1974) odhadl, že dva nepříbuzní jedinci ve velké lidské populaci se od sebe liší průměrně asi jedním milionem nukleotidových míst.

Vezmeme-li světovou populaci, pak by člověk jako druh byl charakterizován asi 2,8.10¹⁹ nukleotidů, tj. počtem srovnatelným s celkovým počtem hvězd ve viditelném vesmíru, jehož informační obsah pravděpodobně přesahuje obsah všech knih, které kdy člověk napsal. Přitom bylo odhadnuto, že genetická informace v DNA pro 6 miliard lidí by se vešla do objemu menšího než 1/10 tablety aspirinu.

Genetická variabilita, jejíž podstatu a udržování jsme zde objasnili, je jen jednou stranou mince. Na druhé straně je velmi důležitá i genetická stabilita: molekuly DNA musí uchovávat a reprodukovat svoji genetickou informaci téměř bezchybně, nejen pro udržení své druhové identity, ale pro samotné přežití. Organizmy, již adaptované k prostředí, by totiž nemusely přežít a reprodukovat se, kdyby genetická informace byla předávána s mnoha chybami a změnami. Potřeba uchovávat genetickou informaci dostatečně stabilní a zároveň nutnost její variability a jejích změn, představuje základní biologický paradox. Není divu, že způsob, jakým organizmy řeší tento paradox, je předmětem velkého zájmu (nejen) genetiků. Připomíná to mnohé jiné systémy, v nichž spolu existují chaos a řád – právě v přechodné fázi mezi nimi je oblast, kde mají tyto systémy největší způsobilost pro svoji existenci.