Meno “hedgehog” (v preklade ježko) si tento gén vyslúžil vďaka vzhľadu lariev mušky octomilky (lat. Drosophila melanogaster), u ktorých zmutoval. Larvám vyrastali z telíčka pichliače, vďaka čomu pripomínali ježka. Objav tohto génu predstavuje skvelý príklad toho, čo nám štúdium tak vzdialených organizmov, akými sú mušky, môže povedať o nás samých.

Obrázok 1: Ježko Sonic z populárnej videohry Sonic the Hedgehog. Ježko Sonic dokáže bežať nadzvukovou rýchlosťou (odtiaľ jeho meno) a schúliť sa do klbka. Sonic je jednou z najznámejších videoherných postáv, séria hier predala viac ako 80 miliónov kusov.

Názov nie je tá najzaujímavejšia vec, ktorá sa o géne Sonic Hedgehog (SHH) dá povedať. Zatiaľ čo muška octomilka má iba jediný hedgehog gén, u stavovcov, od rybičiek až po človeka, boli objavené minimálne tri, pomenované Indian Hedgehog, Desert Hedgehog a samozrejme aj Sonic Hedgehog.



Pomenovávanie génov žartovnými názvami je súčasťou laboratórneho humoru a je pomedzi vedcami veľmi rozšírené - azda preto, aby sa gény výskumníkom ľahšie pamätali. Hoci sa názov Sonic Hedgehog vo vedeckej komunite ujal, niektorí lekári žartovné názvy génov odsudzujú. Poukazujú na absurdné situácie, keď musia nastávajúcej matke oznámiť, že jej dieťa pravdepodobne po narodení neprežije, pretože má zmutovaného “nadzvukového ježka”.

Mutácie v géne SHH totiž môžu spôsobiť smrteľnú vrodenú vývojovú poruchu – holoprozencefáliu. V bezpečí však nie sú ani dospelí. U nich je porucha SHH zodpovedná za najčastejší zhubný nádor u človeka – bazalióm (zhubný nádor buniek pokožky).

Sonic Hedgehog a choroby človeka

Molekula Sonic Hedgehog* je pre vývin človeka nepostrádateľná. Jej dôležitosť je zjavná pri pohľade na osoby trpiace jej mutáciou. Ľudia postihnutí vrodenými mutáciami génu SHH nepripomínajú ježka, ale mýtického kyklopa. Trpia holoprozencefáliou.

Holoprozencefália je dlhé slovo pozostávajúce z troch termínov. “Encefália” znamená choroba mozgu, “prozencefália” znamená choroba predného mozgu a “holoprozencefália” znamená, že predný mozog sa nerozdelil na dve pologule – ľavú a pravú.

Holoprozencefália je teda predovšetkým poruchou mozgu, avšak postihuje aj tvár, čo nie je vzhľadom na úzky súvis mozgu a tváre prekvapujúce. Zjednodušene možno povedať, že z dôvodu neprítomnosti stredových štruktúr dochádza k splynutiu tých štruktúr, ktoré sa nachádzajú na oboch stranách mozgu a tváre. Deti postihnuté touto vrodenou vývinovou poruchou nemajú mozog rozdelený na dve pologule (hemisféry), vyvinie sa im iba jedno oko (kyklopia) a namiesto nosa u nich vzniká primitívna rúrkovitá štruktúra (proboscis, lat. chobot) s jedinou nosnou dierkou. Časté sú u rázštepy pier a/alebo podnebia, prevažne stredové.

Molekula SHH teda určuje, ktorá strana mozgu bude pravá a ľavá, ktoré oko bude pravé a ktoré ľavé, a podobne.

Objaviť sa môže rôzny stupeň závažnosti holoprozencefálie. Najvážnejšie prípady sú väčšinou smrteľné (obrázok 2). Naopak, najmenej závažné prípady je veľmi ťažké diagnostikovať. Môžu sa prejavovať iba blízko pri sebe umiestnenými očami a jedným stredovo umiestneným rezákom na hornej čeľusti.



Výskyt holoprozencefálie sa odhaduje na 1 postihnutého na 10 000 narodených. Skutočné čísla sú však pravdepodobne vyššie, keďže ľudia s jej miernou formou prežijú život bez diagnózy. To robí z holoprozencefálie najčastejšiu vrodenú vývinovú poruchu predného mozgu.

Holoprozencefália nemusí vzniknúť iba mutáciou génu SHH, ale napríklad i požitím kýchavice kalifornskej (lat. Veratrum californicum), čo je rastlina obsahujúca látku cyklopamín. Cyklopamín znižuje citlivosť buniek na SHH. Bunka nedokáže zaznamenať túto molekulu SHH , ktorá tak nedokáže vykonávať svoju funkciu. Uvedená schopnosť cyklopamínu bola objavená, keď sa ovciam, ktoré sa pásli na kýchavici kalifornskej, narodili jahniatka s holoprozencefáliou a kyklopiou (obrázok 3). Paradoxne sa však cyklopamín skúma pri liečbe viacerých druhov rakoviny, medzi ktorými je aj najčastejší zhubný nádor človeka – bazalióm, nádor pokožky.

Obrázok 2: Rôzne stupne závažnosti holoprozencefálie. Klinicky najmenej závažne prípady nemusia byť zjavné (vpravo). Naopak, najzávažnejšie prípady spravidla končia smrťou novorodenca (vľavo).

Obrázok 3: Kyklopia u novorodeného jahniatka. Brezivá ovca požila kýchavicu kalifornskú, obsahujúcu látku cylopamín, v 14. dni gravidity.


Narodením sa však hrozba, ktorú predstavujú mutácie SHH génu, nekončí. Vyvíjame sa až do smrti. Preto nie je prekvapením, že gény, ktoré riadia vývin organizmu, sú aktívne počas celého nášho života.

Počas vývinu funguje molekula SHH vo viacerých orgánoch tak, že zvyšuje mieru delenia buniek, čím priamo zvyšuje hmotu danej štruktúry. SHH teda patrí medzi takzvané mitogény, čo sú molekuly zvyšujúce delenie buniek. Zabezpečuje rast danej štruktúry, a tým aj zväčšovanie celého organizmu. Funkciu zvyšovania delenia a rastu buniek si molekula zachováva po celý život organizmu. Pri obnovení jej aktivity v tkanivách dospelých jedincov však môže dochádzať k neregulovanému deleniu buniek a vzniku nádorov.

Zo zubných tkanív, v ktorých je molekula SHH aktívna, môžu vznikať dva typy nádorov: ameloblastómy, čiže nádory z buniek produkujúcich sklovinu, a keratocystické odontogénne tumory. Keratocystické odontogénne tumory sa považujú za pozostatok prvotných štádií vývinu zuba.



Je zaujímavé, že počas vývinu zubov je molekula SHH aktívna v prvotných štádiách a neskôr počas tvorby skloviny. Najprv zabezpečuje rast zubných zárodkov, neskôr zabezpečuje delenie buniek produkujúcich sklovinu. Znamená to teda, že ak sa v ústnej dutine vyskytujú nádory produkujúce zubné tkanivo s aktívnou SHH molekulou, tak sú tieto nádory výsledkom znovuaktivácie vývinového programu zubov? To zatiaľ nevieme.

Okrem nádorov zo zubných tkanív je molekula SHH je aktívna aj v ďalších nádoroch – v už spomenutom najčastejšom zhubnom nádore človeka – bazalióme a v meduloblastóme, čo je embryonálny nádor mozgu.

Sonic Hedgehog ako morfogén

Okrem podpory delenia buniek má Sonic Hedgehog úlohu aj pri takzvanom patterningu. Ako patterning sa vo vývinovej biológii označuje dej, pri ktorom si bunky vytvárajú organizáciu v čase a v priestore. Patterning je teda proces usporiadania buniek do tkanív a orgánov.

Patterning zabezpečujú molekuly nazývané morfogény. Molekula SHH je teda morfogén. To znamená, že nepôsobí iba v bunkách, v ktorých je produkovaná, ale pomocou difúzie prestupuje do okolia bunky. Koncentrácia tejto molekuly potom rozhodne, akú identitu, respektíve bunkový typ, okolité bunky nadobudnú. Stane sa bunka kožnou alebo nervovou? To všetko záleží na koncentrácii morfogénu ako napríklad molekúl SHH.

Medzi učebnicové príklady orgánov, v ktorých molekula SHH funguje ako morfogén, bezpochyby patrí končatina.

Horné i dolné končatiny spočiatku vznikajú ako bezprsté pupene vyrastajúce z telesnej steny zárodku. Molekula SHH sa počas vývinu objavuje v oblasti, v ktorej sa neskôr bude nachádzať malíček – v takzvanej zóne aktivizujúcej polarity.

V zóne aktivizujúcej polarity sa tvoria molekuly SHH, ktoré pomocou difúzie prenikajú k ostatným prstom ruky. Aktivita týchto molekúl v zóne polarizujúcej aktivity vytvorí naprieč rukou gradient koncentrácií. Najvyššia koncentrácia bude priamo v zóne aktivizujúcej polarity, teda v malíčku. Naopak najnižšia koncentrácia bude na protiľahlej strane končatiny, teda v palci.



Bunky naprieč končatinou reagujú na odlišné koncentrácie molekúl SHH. Rôzne koncentrácie vedú k odlišnej aktivácii génov, a tým ku vzniku odlišným typov prstov (obrázok 4). Ak transplantujeme zónu polarizujúcej aktivity z jednej strany končatiny na protiľahlú, vznikne nám “zrkadlová končatina”, s dvoma malíčkami (obrázok 5).

Obrázok 4: Bunky malíčka, prstenníka a približne polovice prostredníka produkujú molekuly SHH a sú nimi ovplyvňované. Malíček, prstenník a polovica prostredníka sú dlhodobo vystavené vysokým koncentráciám tejto molekuly. Dĺžka vystavenia sa považuje za hlavný faktor podmieňujúci identitu týchto prstov. To znamená, že prsty najbližšie k malíčku nie sú závislé od koncentrácie molekúl SHH, ale od času, počas ktorého sú jej vystavené. V ukazováku sa SHH neprodukuje, ale jeho identita je závislá od difúzie tejto molekuly z oblasti malíčka. Identita palca nie je od molekúl SHH závislá vôbec.

Obrázok 5: Zrkadlová ruka. Lekári veria, že príčinou jej vzniku je duplikácia zóny aktivizujúcej polarity.


Po objave génu hedgehog u mušky octomilky sa tento gén začal skúmať aj u stavovcov. Prvým vyvíjajúcim sa orgánom, v ktorom bola molekula SHH u stavovcov objavená, bola miecha. Miecha zároveň predstavuje klasický model, na ktorom sa dá vysvetliť, ako fungujú morfogény.

Miecha človeka obsahuje okrem iných jeden veľmi dôležitý typ nervových buniek – motorické nervové bunky. Nachádzajú sa v prednej časti miechy, prijímajú informácie z mozgu a telesnej periférie a odovzdávajú ich svalom, čím nám umožňujú hýbať sa.

Počas raného embryonálneho vývinu, keď zárodok ešte nemá chrbticu, tvorí os tela chrbtová struna, notochorda (chorda dorsalis). Tvorí ju pružné tkanivo pripomínajúce chrupku. Notochorda produkuje molekulu SHH, a tá prostredníctvom difúzie preniká do miechy zárodku.

V závislosti od vzdialenosti od notochordy sa v mieche vytvára koncentračný gradient. Najväčšej koncentrácii molekúl SHH sú samozrejme vystavené nervové bunky v tesnej blízkosti notochordy, so vzdialenosťou od notochordy koncentrácia klesá. V závislosti od toho, akým koncentráciám sú bunky miechy vystavené, získavajú identitu označovanú v anatómii ako V3, MN, V2-V0 (obrázok 6). Tento difúzny mechanizmus zabezpečuje organizáciu prednej časti miechy a vznik motorických nervových buniek.

Obrázok 6: Sonic Hedgehog (SHH) difunduje do okolia notochordy (n) a vytvára koncentračný gradient, ktorý organizuje miechu. (A) Molekula SHH (modrá) je produkovaná bunkou (S) a šíri sa difúziou tkanivom, pričom vytvára gradient. Bunky odpovedajú na rozličné koncentrácie molekuly SHH aktiváciou odlišných skupín génov (červená, oranžová, žltá). Každá skupina génov dáva bunkám odlišnú identitu (A, B a C), ktorá závisí od vzdialenosti od zdrojovej bunky produkujúcej molekulu SHH (S). (B) Molekula SHH (hnedá), tvorená v notochorde (n), sa rozširuje smerom k zárodočnej mieche, pričom vytvára gradient, ktorý riadi tvorbu odlišných podtypov nervových buniek (V0-V3) a motorických nervových buniek (MN).

Zaujímavosti

SHH reguluje obnovu kmeňových buniek vlasových vačkov. Ak zablokujeme aktivitu SHH vo vlasovom vačku, vlasový cyklus sa naruší a rast vlasov sa zastaví. Tento fakt vzbudzuje záujem výskumníkov, takže sa čas od času objaví článok skúmajúci úlohu SHH pri regenerácii vlasov. Vedcov motivuje vidina, že dokážu nájsť liek na mužskú plešatosť, no zatiaľ zostáva známe iba to, že SHH dokáže regenerovať vlasovité výrastky vo vnútornom uchu - riasinky.

SHH v ústnej dutine určuje miesta, kde sa vytvoria zuby. Ľudské zuby vyrastajú vo veľmi špecifickom usporiadaní. Sonic Hedgehog stimuluje povrchové bunky ústnej dutiny k deleniu, takže vlastne vyznačuje miesto vzniku budúcich zubných zárodkov. Aj gén WNT7B je aktívny vo vyvíjajúcich sa povrchových bunkách ústnej dutiny, avšak mimo miest, kde je aktívna molekula SHH. Aktívny je v budúcich medzizubných priestoroch. Ak sa aktivita WNT7B posunie do miesta, kde je aktívna molekula SHH, dôjde k potlačeniu zubného vývinu.



U veľrýb je strata zadných končatín spôsobená neprítomnosťou aktivity SHH. Zadná končatina sa síce založí ako embryonálny pupeň, no molekula SHH nikdy nie je aktívna. Zóna aktivizujúcej polarity nevznikne, vývoj štruktúry sa zastaví a končatina zaniká.

SHH počas raného zárodočného vývinu vedie telo k tomu, aby vznikla pravo-ľavostranná asymetria. Práve vďaka tejto molekule máme žalúdok na ľavej strane a pečeň na pravej. Veľmi podobnú úlohu má molekula SHH pri vývine mozgu a tváre.

Zhrnutie

Funkcií génu Sonic Hedgehog v organizme je mnoho. Ich zdanlivo nekončiaci zoznam sa napredujúcim výskumom ešte viac predlžuje.

Zdá sa, že Sonic Hedgehog je úplne všade, kde organizmus potrebuje niečo usporiadať. Je preto logické, že molekula, ktorá riadi delenie a organizáciu buniek, môže spôsobiť rakovinu.

Dôležité je uvedomiť si, že narodenie nie je hranicou, po ktorej ľudské telo zastavuje svoje vývinové mechanizmy a nabieha na iný „pracovný režim“. V skutočnosti náš organizmus používa od počatia až po smrť rovnaké molekuly a mechanizmy – vrátané tých zárodočných.

-

Poznámky:

* Molekula SHH sa vyskytuje v organizme ako gén (mRNA) a ako proteín. Funkčná molekula SHH je proteín, gén SHH je iba informáciou, ktorá bunkám poskytuje návod k vytvoreniu funkčného proteínu. U človeka označujeme gény aj proteíny veľkými písmenami.

Zdroje obrázkov:
Perexový obrázok: používateľ portálu DeviantArt Keywan
http://research.vet.upenn.edu/Plants/PlantsbyLatinName/Veratrumcalifornicumorviride/tabid/5684/Default.aspx
http://www.indianpediatrics.net/june2011/images/ra1-1.jpg
http://emboj.embopress.org/content/28/5/457

Páčia sa Vám naše články? Podporte nás

Zdieľajte článok

Tweet