2.2 2.2.1 ÚVOD KE VZNIKU POHLAVNÍHO ROZMNOŽOVÁNÍ Sex téměř jistě nevznikl naráz v dnešní podobě. Pohlavní rozmnožování se s velkou pravděpodobností vyvinulo v souvislosti s eukaryogenezí (vznikem eukaryotické buňky) (Forterre 2011), a to zřejmě v několika krocích (Cavalier-Smith 2002a). Jak již bylo řečeno, všechny dnešní hlavní eukaryotické klady (Simpson & Roger 2004) jsou s největší pravděpodobností primárně pohlavní (Dacks & Roger 1999; Ramesh et al. 2005). Z molekulární podobnosti pohlavního procesu u všech dnešních zástupců eukaryot také můžeme usuzovat, že molekulární aparát pohlavního rozmnožování u společného předka všech recentních eukaryot (LECA Last Eucaryotic Common Ancestor) se od toho dnešního příliš nelišil (Cavalier-Smith 2002a; Ramesh et al. 2005; Schurko & Logsdon 2008). 2 Vzhledem k všeobecnému rozšíření pohlavního 2 Jisté náznaky však ukazují, že by to nemusela být tak úplně pravda. Giardia intestinalis je příslušníkem protistní skupiny Excavata, mezi kterou se pravděpodobně nachází kořen eukaryot. Giardia beze sporu nese některé geny pro meiózu (Dacks & Roger 1999; Ramesh, Malik & Logsdon 2005; Schurko & Logsdon 2008), v životním cyklu dochází ke změnám ploidie (Bernander et al. 2001) a rekombinaci (Cooper et al. 2007), ale její pohlavní proces, pokud je přítomný, je stále záhadou. Ukazuje se však, že by mohlo jít o restituční automixis při encystaci (Gorelick & Carpinone 2009). To je mimořádně zajímavé. Pokud by se v tomto případě totiž potvrdila její bazální pozice na stromu eukaryot, případně kdyby se restituční automixis ukázala jako rozšířenější mezi exkaváty, tak by hypoteticky mohlo jít o ancestrální eukaryotický stav. Na druhou stranu, Giardia a diplomonády obecně jsou velmi odvozené, diplozoické (obsahují dvě sady organel a jsou symetrické podle jedné osy) a není pravděpodobné, že reprezentují stavbu nějakého ancestrálního eukaryota. Přesto,
rozmnožování a jeho molekulární homologii u všech skupin eukaryot můžeme tedy o LECA prohlásit, že byl s největší pravděpodobností pohlavním organismem. Pohlavní rozmnožování typické pro recentní eukaryota je také zjevně homologický proces, vzniklo pouze jednou (Wilkins & Holliday 2009). Problematika eukaryogeneze je neobyčejně komplikovaná a v současné době nelze označit její stav jinak, než jako vrcholně krizové období tohoto odvětví vědy, viz Forterre (2011). S absolutní jistotou o vzniku eukaryotické buňky nevíme téměř nic. Aniž bych na tomto místě dál rozebíral úskalí různých hypotéz, podržím se konzervativního pohledu, že předkem eukaryotické buňky je organismus z blízkosti (či přímo vnitřní skupina) domény archea (Archaea), zatímco předchůdcem mitochondrie je blíže nespecifikovaná α-proteobakterie (α-proteobacteria). Pohlavní rozmnožování můžeme rozčlenit na syngamii a meiózu. Syngamie je označením pro splývání pohlavních buněk. Meióza značí typicky eukaryotický proces vzniku těchto pohlavních buněk. Je vždy dvoukroková. Sestává ze dvou následných dělení, které mají za následek rozdělené jedné diploidní buňky na čtyři buňky haploidní. Před prvním meiotickým dělením (heterotypickým, meiózou I) dochází ke zdvojení chromozomové sady původní diploidní buňky. Následně dochází ke spiralizaci chromozomů, jejich přiblížení a vzniku bivalentů (tetrád) spojení dvou homologních dvouchromatidových chromozomů. Nesesterské odpovídající si chromatidy se proplétají, vznikají chiazmata, dochází ke crossing- -overu, homologní rekombinaci a potažmo vzájemné výměně části DNA. Následuje rozchod homologních chromozomů a rozdělení buňky. Druhé meiotické dělení (homotypické, meióza II) připomíná pokud se pohybujeme čistě v rovině úvah, můžeme spekulovat, že by právě diplozoický stav mohl souviset s přítomností specifického pohlavního procesu. V tomto světle je velice zajímavé, že byl LECA pravděpodobně bikontní organismus. S největší pravděpodobností měl dva bičíky, nikoli jeden. Nemohl i tento stav souviset s pohlavním rozmnožováním? OBECNÝ ÚVOD DO PROBLEMATIKY
mitózu a zaručuje rozpad chromozomů na sesterské chromatidy, jejich rozchod a vznik čtyř haploidních buněk. Zatímco syngamie nemá ve světě prokaryot blízké obdoby, meióza, zejména jedna její část homologní rekombinace jisté obdoby má. 2.2.2 PROKARYOTICKÉ KOŘENY POHLAVNÍHO ROZMNOŽOVÁNÍ Molekulární kořeny pohlavního rozmnožování leží v několika nezávislých procesech spojených s replikací DNA a jejími opravami pomocí homologní rekombinace, které původně vůbec nemusely být spojeny s rozmnožováním (Cavalier-Smith 2002a; Wilkins & Holliday 2009). Řada klíčových proteinů homologní rekombinace je mezi oběma prokaryotickými doménami a eukaryoty ortologní. Pro ilustraci můžeme jmenovat například eubakteriální RecA a jeho archeální (Rad3) a eukaryotické (Rad51 či Dmc1) obdoby. Téměř jistě však primárně nesloužily k rekombinaci a tato role je až odvozená. Zásadnější a s největší pravděpodobností původní je jejich role v replikaci a segregaci buněčné DNA. Replikace je jednou z nejzákladnějších vlastností živých organismů a je tudíž důležitější než opravy nebo jakákoli jiná navržená příčina vzniku rekombinace a pohlavního rozmnožování (Cavalier-Smith 2002a; Bernstein & Bernstein 2013). Pokud bychom dokázali nalézt kořen eukaryot, ať už uvnitř domény archea, nebo na pozici jejich sesterské skupiny, mohli bychom hledat u archea hypotetické předstupně pohlavního rozmnožování. Tímto způsobem můžeme identifikovat kandidáta na proces homologický pohlavnímu rozmnožování eukaryot. Je jím specifická archeální konjugace popsaná například od Halobacterium volcanii (Rosenshine et al. 1989), Sulfolobus solfataricus (Fröls et al. 2007; Fröls et al. 2008; Fröls et al. 2009), Sulfolobus islandicus (Prangishvili et al. 1998) či Sulfolobus acidocaldarius (Ghane & Grogan 1998). Archea nezřídka obývají extrémní
prostředí ohrožující stabilitu genomu a konjugace jim zřejmě slouží k opravám dvouřetězcových zlomů DNA pomocí homologní rekombinace za kritických podmínek. Ty jsou vyvolány například působením intenzivního UV záření (což je časté mj. u halofilních druhů, které jsou vystavené silné sluneční radiaci, např. rodu Halobacterium) či vysokých teplot (u termofilních druhů, např. rodu Sulfolobus) (Allers & Mevarech 2005; Fröls et al. 2007; Fröls et al. 2008; Fröls et al. 2009). V eukaryotické meióze se taktéž tvoří dvouřetězcové zlomy, takže by archeální konjugace mohla být jedním ze základních kamenů pohlavního rozmnožování (Gross & Bhattacharya 2010). V tomto ohledu je důležitá homologie mnoha archeálních proteinů údržby DNA, zejména těch, které ošetřují dvouřetězcové zlomy, s jejich eukaryotickými protějšky (Allers & Mevarech 2005). Na druhou stranu, podobná je i transformace bakterií (viz kapitola 2.1.2), která také může být indukována faktory způsobujícími poškození DNA, také při ní mohou vznikat dvouřetězcové zlomy DNA a také při ní může docházet k homologní rekombinaci (Bernstein & Bernstein 2010; Bernstein & Bernstein 2013). Navíc nemusí jít vždy jen o příjem volné DNA z okolí. Například eubakterie Neisseria gonorrhoeae dokáže předat kus genetické informace, aniž by ji to zničilo, jak zdůrazňují Bernstein a Bernsteinová (2010; 2013). Tyto jevy tak nemusejí být nijak unikátní. Všichni zmínění zástupci archea se za zhoršených podmínek vyvolaných například již zmíněnou zvýšenou intenzitou UV záření agregují na jednom místě, tvoří páry buněk a procházejí konjugací (Rosenshine et al. 1989; Ghane & Grogan 1998; Prangishvili et al. 1998; Luo & Wasserfallen 2001; Fröls et al. 2007; Fröls et al. 2008; Fröls et al. 2009). Teoreticky by ale agregace mohla sloužit k jiným účelům než navržené opravě dvouřetězcových zlomů DNA. Nahromaděním buněk by například mohlo docházet k tvorbě biofilmu, který by chránil spodní vrstvy před zářením prostým zastíněním (Cadillo-Quiroz et al. 2012). Následná konjugace by zase mohla být OBECNÝ ÚVOD DO PROBLEMATIKY
vedená snahou za krizových podmínek promíchat genetickou variabilitu populace s cílem vyštěpit optimální genotyp. Za zhoršených podmínek je navíc cena rekombinace nižší v důsledku snížené intenzity kompetice o zdroje (Vos 2009). Opakovaně však bylo dokázáno, že vlastní rekombinace genetické informace patrně nebyla původní funkcí archeální konjugace a touto původní funkcí (bez ohledu na možné výhody zastínění) byla a patrně i dnes je oprava genetické informace. Archeální konjugaci totiž způsobují i některá antibiotika vyvolávající dvouřetězcové zlomy DNA (např. Bleomycin, Mitomycin C) a jedinci neschopní konjugace jsou ke zlomům daleko citlivější (Fröls et al. 2008). Halobacterium volcanii (Rosenshine et al. 1989; Luo & Wasserfallen 2001) a Sulfolobus solfactarius (Fröls et al. 2007; Fröls et al. 2008; Fröls et al. 2009) tvoří mezi spárovanými buňkami pili, cytoplazmatické můstky, kterými prochází genetický materiál. U Sulfolobus islandicus (Prangishvili et al. 1998) a Sulfolobus acidocaldarius (Ghane & Grogan 1998) takové specializované struktury spolehlivě zdokumentovány zatím nebyly. V agregátu Halobacterium volcanii se navíc prostřednictvím vzájemně propojených buněk tvoří složité síťovité struktury spojující celou populaci. Cytoplazmatické můstky Halobacterium volcanii jsou tvořeny cytoplazmatickou membránou a buněčným obalem. Cytoplazmy jsou propojené, ale pravděpodobně nedochází k jejich promíchávání či výměně jako při spojení pohlavních buněk eukaryot. Dochází jen k selektivnímu přenosu určitých molekul v tomto případě chromozomální DNA (Rosenshine et al. 1989; Luo & Wasserfallen 2001). U Sulfolobus acidocaldarius, Sulfolobus solfataricus a Halobacterium volcanii prokazatelně dochází k homologní rekombinaci chromozomů (Rosenshine et al. 1989; Ghane & Grogan 1998; Luo & Wasserfallen 2001; Fröls et al. 2007). Ta má zřejmě za následek jak opravy, tak i vznik (respektive promíchávání v populaci přítomné) genetické variability (Ghane & Grogan 1998). V případě Halobacterium volcanii jsou geny zprostředkovávající konjugaci kódované
v DNA nukleoidu, a ne v plasmidech (které by tak mohly být za konjugaci zodpovědné, protože by jim sloužila k horizontálnímu přenosu jakožto genomovým parazitům). Konjugace tak skutečně vzniká z iniciativy archebakterie a ze všech studovaných případů se tak asi nejvíc blíží pohlavnímu rozmnožování eukaryot (Bernstein & Bernstein 2013). Některé druhy, například Sulfolobus islandicus (a obecně příslušníci rodu Sulfolobus) (Luo & Wasserfallen 2001), si vyměňují konjugativní plasmidy. Ty se chovají jako typické sobecké elementy. Jak zdůrazňuje např. Cavalier-Smith (2002a), konjugace s přičiněním konjugativních plasmidů nemá s pohlavním rozmnožováním příliš společného. Mašinerie genů a mechanismů zajišťující tento proces vznikla jako adaptace pro přenos plasmidů, nikoli pro výměnu chromozomální DNA. Plasmidy sice mohou hostiteli přinášet i nějaké výhody, například nové metabolické geny a dráhy, ale v zásadě jde stále o genomový parazitismus. Dokonce mohou vyvolávat nejrůznější odpovědi organismu včetně imunity proti jedincům s jiným plasmidem (Prangishvili et al. 1998). Svou přítomností také mohou výrazně zpomalovat růst a množení buňky a vést tak k výraznému snížení biologické zdatnosti svého nositele (Luo & Wasserfallen 2001). Sulfolobus islandicus a Sulfolobus acidocaldarius mohou sympatricky vytvářet druhy s odlišnými ekologickými preferencemi. Nejde ale o druhy v eukaryotickém slova smyslu. Jedinci nesoucí určitý plasmid sice nekonjugují s jedinci obsahujícími jiný plasmid, ale nic jim nebrání v konjugaci s jedinci i ze zcela nepříbuzných linií, pokud ti nekompatibilní plasmid nenesou (Cadillo-Quiroz et al. 2012). U Halobacterium volcanii byl pozorován přesun nekonjugativních plasmidů, ale konjugace u tohoto organismu není výsledkem činnosti plasmidů či transpozonů (Luo & Wasserfallen 2001). Archeální konjugace dává podporu zejména těm teoriím vzniku pohlavního rozmnožování, které v něm vidí cestu k opravě mutací (viz kapitola 2.2.4.3). Klíčová je zmíněná homologní rekombinace sloužící k opravě dvouřetězcových zlomů. Zajímavé náznaky mimo OBECNÝ ÚVOD DO PROBLEMATIKY
jiné k možnému vzniku druhovosti ale plynou i ze studia archeálních konjugativních plasmidů. Vzhledem k obrovskému množství nejasností ohledně fylogenetické pozice eukaryot bychom však zatím měli mít možnost archeální konjugace jako předstupně pohlavního rozmnožování spíše za spekulativní. 2.2.3 VZNIK MEIÓZY Většina výzkumníků zastává názor, že se meióza vyvinula z mitózy (Cavalier-Smith 2002a; Gorelick & Carpinone 2009; Wilkins & Holliday 2009; Cavalier-Smith 2010; Forterre 2011; Ibraimov 2012). Dopodrobna se této hypotéze věnují např. Wilkins a Holliday (2009), kteří na tomto přechodu uvádějí čtyři zásadní evoluční inovace párování homologních chromozomů, intenzivní rekombinaci mezi chromatidami homologních chromozomů, potlačení separace sesterských chromatid na konci prvního meiotického dělení a absenci replikace chromozomů před druhým meiotickým dělením. Mnoho molekulárních mechanismů mitózy i meiózy je velmi archaických a pro tyto účely bylo zrekrutováno. Jistou roli v evoluci meiózy zřejmě sehrála i mitotická rekombinace. Skutečnou novinkou je však podle Wilkinse a Hollidaye (2009) hlavně párování chromozomů. Vznik dvoukrokové meiózy z mitózy je paradoxně jednodušší než vznik hypotetické meiózy jednokrokové a není tak možná třeba hledat komplikovaná adaptivní vysvětlení pro tento zdánlivě složitý fenomén (Wilkins & Holliday 2009). Zásadnější je tak otázka, proč v evoluci nikdy nedošlo k jejímu druhotnému zjednodušení. Většina teorií nemá na tuto otázku uspokojivou odpověď. Lze se ale oprávněně domnívat, že zabraňuje šíření sobeckých genů sestrovrahů naprogramovaných ke zničení sesterské gamety bez této alely (Butcher & Deng 1994). Někteří výzkumníci však s evolučním primátem mitózy nesouhlasí. Argumentují homologií řady molekulárních mechanismů
(respektive ortologií proteinů) zahrnujících dvouřetězcové zlomy DNA mezi prokaryoty a eukaryoty s tím, že meióza mohla vzniknout nezávisle na mitóze z nějakého prokaryotického procesu například archeální konjugace či bakteriální transformace (Bernstein & Bernstein 2010; Bernstein & Bernstein 2013). Všechny zmíněné procesy také podle zastánců této hypotézy také iniciují stejné spouštěče extrémní podmínky prostředí hrozící poškozením DNA. Jakýkoli evoluční přechod mezi mitózou a meiózou navíc podle těchto autorů vyžaduje těžko představitelné mezikroky (Bernstein & Bernstein 2010). Již zmínění Wilkins a Holliday (2009) však demonstrovali, že by taková změna nemusela být příliš komplikovaná. Nelze nezmínit ani menšinový názor, podle kterého se první vyvinula meióza. Vznik meiózy následně způsobil celobuněčnou přestavbu a její mechanismy byly paralelně kooptovány i pro mitózu. Zastánci tohoto přístupu jsou např. Gross a Bhattacharya (2010), kteří vznik meiózy odvozují od archeální konjugace. Existuje však i čtvrtá možnost. Podle ní se mitóza i meióza vyvinuly souběžně v rané evoluci prokaryot. Mohlo k tomu dojít například v důsledku invaze genomových parazitů (Sterrer 2002; Bell 2013). Představitelné jsou ale i jiné scénáře. Obě kooptovaly mnoho archaických molekulárních mechanismů. Vzájemně se ovlivňovaly a ani o jedné nelze jednoduše prohlásit, že je předchůdcem té druhé. 2.2.4 TEORIE VZNIKU POHLAVNÍHO ROZMNOŽOVÁNÍ 2.2.4.1 ÚVOD DO TEORIÍ O VZNIKU POHLAVNÍHO ROZMNOŽOVÁNÍ Existuje mnoho modelů pro vznik pohlavního rozmnožování a my si zde ukážeme spíše reprezentativní průřez než vyčerpávající seznam. Důležité je také zmínit, že velká část předností pohlavního rozmnožování, na rozdíl od nevýhod (viz kapitola 2.1.6), téměř jistě nemohla fungovat od počátku. Faktory vzniku pohlavnosti mohou být odlišné od faktorů jejího udržování (West et al. 1999). OBECNÝ ÚVOD DO PROBLEMATIKY
Modely vzniku pohlavního rozmnožování mají vesměs mechanomorfní povahu. Snaží se vysvětlit vznik sexu jako dominovou soustavu na sebe navazujících kroků, kdy jedna změna vytváří problém, který následně řeší změna další. To dobře koresponduje s poznatkem, že sex má své molekulární kořeny v několika nezávislých procesech (Cavalier-Smith 2002a; Wilkins & Holliday 2009). Sex je v těchto případech jakýmsi slepencem adaptací řešících aktuální problémy buňky. Jako úvodní spouštěč obvykle působí nějaký s rozmnožováním původně nesouvisející proces. V úvahu přichází například adaptace na dlouhá období hladovění prostřednictvím zesložitění životního cyklu (Cavalier-Smith 2002a), nutnost oprav dvouřetězcových zlomů DNA v extrémním prostředí (Bernstein et al. 1981; Bernstein 1983; Bernstein & Bernstein 2010; Gross & Bhattacharya 2010; Bernstein & Bernstein 2013; Hörandl 2013), nebo invaze manipulativního parazita (Bell 2001; Bell 2006; Bell & Witzany 2009; Forterre 2011; Bell 2013). Teorie vzniku pohlavního rozmnožování můžeme volně rozdělit do tří kategorií podle primárního selekčního tlaku na jeho evoluci. První skupina teorií zdůrazňuje splývání buněk či jejich genomů a nutnost řešení z toho vyplývajících problémů pomocí redukčního dělení v meióze. Druhá skupina teorií zdůrazňuje roli pohlavního rozmnožování v reparaci, zejména opravách dvouřetězcových zlomů DNA během homologní rekombinace. Třetí skupina teorií potom navrhuje roli externích agentů v evoluci pohlavního rozmnožování. Nejčastěji se jedná o viry, ale v úvahu připadají i plasmidy, genomoví parazité a další sobecké genomové entity v šedé zóně mezi dědičností a infekcí, přirozeným a patologickým. 3 3 Parafráze Sterrera (2002).