doc. Mgr. Richard Štefl, Ph.D.

Držitel Neuron Impulsu 2015

Lidský genom obsahuje obrovského množství nekódujících genů, které představují dosud chybějící článek pro pochopení mnohých buněčných mechanismů a nemocí. A právě tato „temná hmota genomu“ je předmětem projektu Richarda Štefla. Ten si klade za cíl objasnit strukturní podstatu chemické komunikace mezi genomem a RNA polymerázou při přepisu nekódujících genů.

Když vědci před 12 lety poprvé přečetli všechny geny člověka, zjistili, že se přepisují pouze dvě procenta z cca méně než 20 tisíc genů. Při transkripci se podle genetické informace, uložené na dvoušroubovici DNA, vytváří řetězec ribonukleové kyseliny (RNA). Ten obvykle představuje prostředníka mezi genetickým materiálem a bílkovinami, jež se podle něho vyrábí. Vědci si tehdy mysleli, že přepis pouhých dvou procent ze všech genů stačí k vývoji i funkci lidského těla. O „zbývajících“ 98 procentech genů se domnívali, že jde o jakýsi nevyužitelný „odpad“. Nedávno se však díky vyspělejším technologiím pozorování ukázalo, že transkripcí prochází téměř celý lidský genom a že většina přepsaných genů má regulační charakter. Tyto regulátory v podobě nekódující RNA ovlivňují uspávání a probouzení genů. Zároveň může nerovnováha regulátorů vyvolat řadu nemocí včetně rakoviny, poruch imunitního systému a neurodegenerativních chorob. Docent Richard Štefl nyní dostal jeden milion korun od Nadačního fondu Neuron, aby pokračoval ve svém výzkumu nekódující RNA, která se nazývá temnou hmotou lidského genomu.

Můžete svůj projekt přiblížit?
Lidský genom obsahuje obrovského množství nekódujících genů. Jde o dosud chybějící článek pro pochopení mnoha buněčných mechanismů a nemocí. Se svým týmem ve Středoevropském technologickém institutu (CEITEC) v Brně se snažím objasnit mechanismus chemické komunikace mezi genomem a RNA polymerázou II při přepisu nekódujících genů. RNA polymeráza přepisuje informaci uloženou na DNA. Ovšem aby to mohla udělat, musí nejdříve rozrušit strukturu, která sestává z chromozomu, vysoce uspořádaného chromatinu a nukleozomů. Na nich je vlákno dvoušroubovice obtočené okolo histonových proteinů. Společně s RNA polymerázou cestuje rovněž tzv. elongační faktor Spt6. Ten jakoby prokousává cestu chromatinem a uvolňuje histony ze smyček DNA. Osvobodí tak dvoušroubovici od proteinů, kterými je obalena a připraví jí k přepisu genetické informace.

Podle jakých zákonitostí jsou nekódující geny vybírány pro přepisování do nekódující RNA?
Vtip je v tom, že většina aktivačních a supresivních mechanismů pro přepis genů je založena na chemických kódech, které koordinují komunikaci celého transkripčního superkomplexu. Detailní zákonitosti tohoto procesu jsou stále neznámé. My studujeme komunikaci mezi RNA polymerázou a elongačním faktorem Spt6, která je též založena na chemických kódech. Aby mohl Spt6 cestovat s RNA polymerázou II, musí mít tato polymeráza na správném místě správnou chemickou značku. A aby mohl elongační faktor narušit chromatin, musí na něm najít další chemické značky. Právě tento mechanismus zkoumáme. Zajímá nás, jak je elongační faktor navázán na RNA polymerázu II a jak rozpoznává chemické značky na chromatinu.

Přispěje poznání tohoto mechanismu k praktickým účelům?
Poprvé ukážeme, jak si RNA polymeráza prokousává cestu v chromatinu. Tento poznatek je prvním krokem k vývoji nějakého inhibitoru. Ten by mohl zabránit přepisu nekódující RNA a tak ovlivňovat zapínání a vypínání genů zodpovědných například za vznik rakoviny, poruchu imunitního systému nebo neurodegenerativních chorob. Výzkum na úrovni několika molekul je relativně snadný, ale mnohem složitější je sledování chemické komunikace ve shluku molekul v reálném prostředí.

Bude mechanismus, který chcete objasnit, fungovat také v živém organismu?
Správnost naší hypotézy otestujeme i na živých systémech, ve kterých budeme sledovat rychlost přepisu RNA polymerázy II.

Jak budete postupovat?
Například zmutujeme kritické místo zodpovědné za rozpoznávání chemické značky. Naší hypotézu potvrdí, když elongační faktor ztratí schopnost komunikovat s chromatinem a nedokáže ho narušit. Jak dlouho potrvá samotné sledování? Příprava klíčového experimentu zabere zhruba rok. Pro sledování musíme strukturu zjednodušit na malý dobře definovatelný systém. Sestavíme ho in vitro a jednotlivé komponenty připravíme rekombinantní technologií v bakteriích. Na histony navážeme syntetickou DNA a pomocí enzymů vpravíme správné chemické značky na správné místo. Poté přidáme elongační faktor a budeme pozorovat průběh komunikace.

Můžete odhadnout, kdy získáte první výsledky?
Doufám, že do tří let, tedy během doby, na kterou jsme od Neuronu dostali peníze. Ale máme i jiné zdroje financí. Před časem jsme získali grant Evropské vědecké rady v hodnotě 56 milionů korun.

A další plány?
Mám vizi posunout se od poznání dílčí struktury k pochopení celého procesu, při kterém RNA polymeráza komunikuje s chromatinem v kontextu celého transkripčního superkomplexu, který čítá desítky molekul.

S kým na projektu spolupracujete?
Snažíme se využít unikátního prostředí v CEITEC Masarykovy univerzity, kde je velmi silná strukturní biologie. To nám umožňuje kombinovat výhody nukleární magnetické resonance, kryoelektronové mikroskopie a rozptylu elektronové difrakce při malých úhlech. Všechny tyto technologie máme pod jednou střechou a díky tomu je postup velmi efektivní. Při výzkumu spolupracujeme s Ústavem Maxe Plancka v Německu a Harvardovou univerzitou v USA. Rovněž jsem členem konsorcia Centrum pro biologii RNA, ve kterém jsou zahrnuty laboratoře Akademie věd ČR.

Text: Josef Matyáš 

 

Napsali o něm:

doc. Mgr. Richard Štefl, Ph.D.

Narodil se v roce 1975. Studium chemie na Masarykově univerzitě absolvoval v roce 1999. Titul Ph.D. v oboru fyzikální chemie obhájil v roce 2001. Docenturu v oboru biomolekulární chemie získal na své alma mater v roce 2013. Jako hostující student působil v letech 2000 až 2001 na University of California v Los Angeles. V letech 2002 až 2006 pracoval jako postdoktorand v ETH v Curychu. Od roku 2007 je vedoucím výzkumné skupiny v CEITEC Masarykovy univerzity.