Průběh evoluce nelze bezprostředně sledovat. Zásahy do evolučního procesu, který probíhá v čase, jsou sice z principu možné, ale na vyhodnocení takového pokusu bychom museli čekat celé geologické epochy. Naše úvahy o evoluci se proto opírají převážně o srovnávací pozorování organismů žijících v současné době a o průzkum fosilií, který umožňuje ověřovat naše závěry a předpovědět ty, které ještě nebyly objeveny. V poslední době si výzkum evoluce oblíbili také molekulární biologové.

Na začátku evolučního bádání stojí otázka, zda všechen pozemský život má jednotný původ. Srovnávací morfologie organismů, která se opírá o podobnosti a rozdíly ve výstavbě těla a buněk, nebude váhat a přijme názor o jednotném původu všech eukaryontů. Součásti živočišných a rostlinných buněk nejsou sice totožné, avšak ve většině dílčích struktur si odpovídají. Například bičíky u všech vyšších buněk jsou vystavěny jako vlákna ze dvou centrálních a devíti spirálovitě obtočených pramenů. Lze si asi stěží představit, že tyto údaje jsou pouze náhodně shodné u zvířat, rostlin a protozoí (prvoků). Stěží také lze tuto shodu vysvětlit jako účelové zařízení. Jednoduchá prostorová organizace baktérií se však mohla vyvinout nezávisle na ostatních, a to právě jako důsledek účelnosti.

Biochemik, který zkoumá malé molekuly a jejich chemické přeměny, pozoruje u všech organismů překvapivou jednotnost. Ve všech organismech se vyskytuje energeticky bohatý ATP. Metabolismy a syntéza životně důležitých molekul probíhá téměř zcela stejně u všech organismů. Právě tak univerzální je princip výstavby organismů, který je založen na stejných základních stavebních podjednotkách.

Již u mnoha malých molekul se projevuje vlastnost, kterou bychom mohli nazvat jako "molekulární rozhodnutí" nebo "dohodu". Tato vlastnost nám může poskytnout informaci o historické události vzniku života. Jde o zrcadlovou symetrii některých molekul. Tato symetrie se projevuje u biologicky malých molekul, pokud se na centrální uhlíkový atom vážou čtyři různé atomové skupiny. Taková situace je u aminokyselin (s výjimkou glycinu). V přírodě se vyskytují obě formy aminokyselin ve stejném poměru (racemická směs). K výstavbě aminokyselin se však používá výlučně L-forma. Taková asymetrie nízkomolekulárních stavebních kamenů vede k asymetrii stočení vzniklých makromolekul. Spirála alfa-helixu může být jak pravotočivá tak levotočivá. Ovšem levá a pravá forma nejsou vzájemnými zrcadlovými obrazy. Oba typy spirál jsou totiž složeny jen z L-forem aminokyselin. Ve strukturální bílkovině kolagenu tvoří levé formy aminokyselin silně protažené levotočivé spirály a vždy spirály se stáčejí do pravotočivého vlákna. Dvoušroubovice DNA se v přírodě vyskytuje jen ve formě pravotočivé. Asymetrie je vnášena do molekuly asymetrickou stavbou desoxyribosy, která je přítomna jen v D-formě.

Z toho, že se v bílkovinách vyskytují výhradně L-formy aminokyselin a že molekuly DNA jsou vždy pravotočivé, lze usuzovat na jednotný původ života. Nejde však o přesvědčivý důkaz. Pokud by život měl dvojí původ, mohla být dohoda o volbě jedné z forem symetrie prostou náhodou. Nelze ani vyloučit, že tato volba byla vynucena teprve dlouhým vývojem po vzniku života. Lze si představit, že náhodou v určitém okamžiku se vyvinulo více organismů s L-formou aminokyselin. Tyto organismy byly v boji o přežití zvýhodněny zvýšeným oběhem aminokyselin L-formy.

Řetězové makromolekuly, sestavené lineárně, mají vysoký obsah informace a jsou vhodné k průzkumu toho, jak jsou dnes žijící organismy od sebe vývojově vzdáleny. Očekávalo se, že určité hybridizační pokusy s nukleovými kyselinami přinesou nějaké závěry o vývojových souvislostech mezi dnes žijícimi organismy. Pokud oddělíme jednotlivé prameny DNA dvou srovnávaných organismů, oba vzorky smísíme v renaturačním pokuse, lze sledovat vznik hybridních dvouvláken DNA a tím určit, do jaké míry si sledy bází odpovídají, tj. jaká je míra homologie obou druhů DNA. Druhy DNA s vyšším podílem podobných sledů bází by měly vzájemně reagovat rychleji než druhy s nižší homologií. Tímto způsobem bychom měli získat přímý údaj o fylogenetické příbuznosti kmenů libovolných organismů. Ve skutečnosti bylo v hrubých rysech potvrzeno to, co již napovídá morfologie. Myš a člověk jsou více příbuzní než myš a pšenice nebo myš a E.coli. Dnes je jasné, proč byla jemnější analýza příbuznosti kmenů metodou hybridizace nukleových kyselin úspěšná pouze u baktérií. Výsledek hybridizace u vyšších organismů je určován množstvím redundantní DNA, která má silnou tendenci k párování. Nenese však žádnou informaci pro stavbu bílkovin, ale má spíše regulační funkci. Naproti tomu vzácně se vyskytují sledy bází, které jsou důležité pro druhově specifické vyjádření znaků. Tento poznatek samozřejmě nesnižuje význam hybridizační techniky pro nukleové kyseliny s nepatrnou redundancí nukleové kyseliny u baktérií a virů.

Dosud nejúspěšnější odvětví molekulárního evolučního výzkumu je výzkum struktury bílkovin. Za fyziologických podmínek určuje sled aminokyselin v polypeptidickém řetězci prostorové stočení řetězce v aktivní bílkovinnou molekulu. Stočení je důsledkem vazeb mezi všemi aminokyselinovými zbytky a proto nelze zatím toto stočení stanovit přímým výpočtem. Různým částem řetězce lze však přiřadit různé a různě důležité funkce. U enzymů a transportních bílkovin jsou určité postranní řetězce aminokyselin zúčastněny v aktivním centru nebo ve vazebném místě. Ve stočené molekule leží vzájemně v prostorovém sousedství, ale často na zcela různých místech v lineární struktuře polypeptidu (viz např. příloha 10 a 11). Je jasné, že tyto aminokyselinové zbytky jsou nezbytné pro funkci bílkovin. Jiné aminokyselinové zbytky mají význam pro správné stočení řetězce a pro jeho stabilizaci. Jde například o prolinové zbytky, které vzhledem ke své zvláštní struktuře tvoří v páteři molekuly zlomy, nebo cystein, který vytváří disulfidické můstky. U jiných aminokyselin je podstatné, že jejich zbytky jsou hydrofilní (ve stočené molekule směřují vně molekuly) nebo lipofilní (směřují dovnitř). Jiné aminokyseliny mají význam jen pro vznik polypeptidického řetězce dostatečné délky a aby se při prostorovém stočení vytvořil dostatečně velký oblouk. Takové aminokyseliny mohou být zaměněny aniž by se podstatně změnila funkce bílkoviny. Lze proto očekávat, že vzájemně si odpovídající bílkovinné molekuly budou u různých organismů mít takové odchylky.

Víme již, že existují dva typy záměn aminokyselin. Jeden typ byl důsledkem uměle vyvolaných mutací, například u enzymů E.coli nebo u obalové bílkoviny viru TMV. Druhým typem byly přirozené varianty, které byly objeveny podle jejich škodlivých účinků, například dědičné defekty hemoglobinu u člověka. I jen velmi nepatrná nevýhoda oproti bílkovině divokého typu vyřadí takovou mutantu v průběhu přirozené evoluce. Nyní se budeme zabývat takovými změnami bílkovinné struktury, které se ve vývoji kmenů udržely a tudíž byly pro svého nositele neutrální nebo dokonce výhodné.

Sanger a jeho spolupracovníci byli první, kteří objevili druhově specifické rozdíly u jedné bílkoviny, insulinu (viz příloha 11). Záměny aminokyselin se u jiných druhů projevují v určité části řetězce A, která zřejmě není pro funkci molekuly kritická. Jde o aminokyseliny ležící mezi cysteinovými zbytky, které tvoří disulfidický můstek uvnitř řetězce. Nejsou však pozměněny ani cysteinové zbytky v poloze 6 a 11, ani třetí cystein, který leží uvnitř smyčky v poloze 7 a který tvoří disulfidickým můstkem spojení s řetězcem B. To odpovídá domněnce, že strategicky důležité aminokyselinové polohy nejsou variabilní a variabilita v těchto polohách byla zřejmě letální. Ve třech zbylých polohách smyčky, v polohách 8, 9 a 10 byly u různých savců nalezeny různé aminokyselinové zbytky.

Na první pohled je vidět, že z těchto údajů nelze udělat rozumné závěry o fylogenetických vztazích. Také omezený výskyt insulinu neumožňuje rozsáhlé srovnávání příbuznosti druhů.

Později byla nalezena bílkovina, která je široce rozšířena a kterou bylo možno snadno izolovat a analyzovat, cytochrom c. Tato bílkovina se účastní metabolismu v buňkách a působí jako přenašeč elektronů. Podobně jako u hemoglobinu je pracovní skupinou atomů hemová skupina s centrálním atomem železa (viz příloha 6). Zatímco hemová skupina je v hemoglobinu vázána poměrně volně, tvoří cytochrom c s bílkovinou kovalentní vazby: hem je prostřednictvím atomů síry postranních řetězců cysteinu vázán na polypeptidický řetězec. Cytochrom c se u vyšších organismů nachází v mitochondriích a jeho struktura je určena dědičným faktorem v buněčném jádře. Zřejmě se vytváří v cytoplasmě a pak je dopravován do mitochondrií. Cytochrom c se nachází u všech vyšších buněk: hub, řas, vyšších rostlin, bezobratlých i obratlovců. U baktérií byla nalezena bílkovina podobná této bílkovině.

Velmi zdlouhavou prací byl cytochrom c izolován z více než 35 různých organismů a byly stanoveny úplné sledy aminokyselin. Zjistilo se, že délky řetězců jsou u různých skupin poněkud odlišné: většina má cytochrom c se 104 aminokyselinami, cytochrom tuňáka jich má 103, mol 107, pšenice 111 a kvasinky 108. Rozdílné délky řetězců lze vysvětlit tak, že na konci došlo k přidání nebo ubrání aminokyselin. Pokud provedeme srovnání řetězců u buněk eukaryontů, od kvasinek po člověka, zjistíme, že během evoluce zůstalo konstantních 35 poloh aminokyselin, tedy asi třetina. Pravděpodobnost, že jde o náhodu, je nepatrná, vzhledem k 20 možným aminokyselinám v každé poloze jde o číslo 1/20^35. Mezi konstantními aminokyselinami jsou oba cysteinové zbytky, na které se váže hemová skupina. Ačkoliv je jasné, že konstantnost souvisí s funkcí molekuly, musí se ze statistických důvodů vyloučit, že nejde o nezávislý vývoj podobných sledů aminokyselin. Dnes lze konstatovat, že geny pro řetězce cytochromu c všech současně žijících organismů se vyvinuly z jediného společného genu. S určitou opatrností lze přijmout názor, že všechny dnes žijící organismy pocházejí z jediného pradruhu. Musíme přitom učinit předpoklad, že dědičný faktor pro cytochrom c se dědil z rodičů na potomky a nedošlo k přenosu faktoru infekčním způsobem.

Pokud spočteme rozdíly v aminokyselinách mezi skupinami organismů a porovnáme hodnoty s délkou času, kdy se podle paleontologických nálezů příslušné linie oddělily, dostaneme následující korelace.

Korelace působí celkem přesvědčivě, ikdyž není rozhodujícím důkazem. Dostáváme prakticky stejný obraz, jaký vypracovala klasická srovnávací biologie. S morfologickou divergencí různých skupin organismů probíhala paralelně divergence v méně důležitých částech bílkovinné struktury.

Další výpočty ukázaly, jaké průměrné období bylo zapotřebí, aby se "prosadila" záměna aminokyseliny. Zatímco rozvětvení fylogenetického kmene lze vypočíst na základě chemických údajů o bílkovinách, pro zhodnocení absolutních časových hodnot potřebujeme přirozené věkové měřítko vypracované klasickou paleontologií. Bylo zjištěno, že trvá asi 30 miliónů let, než se záměna aminokyseliny fixuje. U jiných bílkovin byly nalezeny menší nebo větší hodnoty. Například histony, basické bílkoviny, které jsou u eukaryontů vázány na chromosomální DNA, jsou velice stabilní a pro fixaci jedné záměny byla potřeba doba téměř dvou miliard let. Hemoglobiny jsou naopak variabilnější a k fixaci jedné záměny aminokyseliny bylo třeba v průměru 8 miliónů let. Nejvíce variabilní jsou fibrinopeptidy savců, kdy fixace jedné aminokyseliny trvala průměrně 1 milión let. Fibrinopeptidy nejsou funkční bílkoviny a slouží k blokování strukturální bílkoviny pro srážení krve a při jejím aktivaci jsou odštěpeny. Zřejmě není sled aminokyselin ve fibrinopeptidech příliš důležitý a možné záměny jsou přijaty, aniž dojde k selekčním nevýhodám přírodním výběrem. Tyto nálezy jednoznačně svědčí o tom, že variabilita polypeptidických řetězců v žádném případě neodráží četnost mutací, ale spíše nároky, které určité fyziologické funkce kladou na strukturu bílkoviny. Čím jsou tyto nároky menší, tím je větší variabilita ve sledu aminokyselin.

V některých případech se dědičný faktor může vyhnout selekci přírodním výběrem. Jde o duplikaci genů, která vzniká náhodným chybným párováním při jevu, který se nazývá "crossing-over".

Potomek, který se stane nositelem duplikovaného genu má zcela nový stupeň volnosti při výběru mutací. Postačuje, když jeden z dědičných faktorů správně plní svoji funkci. Nový gen může případně příznivě vykonávat určité vedlejší úlohy. Tímto způsobem mohou v organismu vzniknout naprosto rozdílné bílkoviny.

Velmi dobře známou skupinou bílkovin, jejichž dědičné faktory jsou zřejmě opakovanou duplikací genů odvozeny od "pragenu", jsou řetězce hemoglobinu a myoglobin. Hlavní část hemoglobinu se skládá z molekul, které mají dva alfa a dva beta řetězce a vedle toho existuje malá část molekul, u kterých jsou beta řetězce nahrazeny poněkud odlišnými delta řetězci. Konečně lidský fetus obsahuje hemoglobin se dvěma alfa a se dvěma gama řetězci. Funkcí všech hemoglobinů je transport kyslíku z plic na místo potřeby. Fetální hemoglobin (alfa2, gama2) má však o něco vyšší schopnost vázat kyslík než hemoglobiny dospělých. Je to dáno zřejmě přizpůsobením malé nabídky kyslíku před narozením. Všechny řetězce hemoglobinu jsou prostorově stočeny téměř stejným způsobem a obsahují velmi podobné sledy aminokyselin. Z počtu rozdílů ve sledech aminokyselin lze usuzovat, v jakém sledu došlo k duplikaci genů, které vedly k dnešní variabilitě řetězců hemoglobinu. Nejdříve se odštěpil gen pro beta řetězec od genu pro alfa řetězec (76 rozdílů). Z genu beta řetězce vznikl další duplikací gen gama řetězce (37 rozdílů), který je aktivní u fetu, a konečně z něho vznikl gen delta řetězce (10 rozdílů). Podstatně dříve došlo k oddělení myoglobinu, tedy bílkoviny ve svalech pro přenos kyslíku. Myoglobin se nevyskytuje jako agregát čtyř podjednotek, ale jako jeden řetězec. Stočení v prostoru však odpovídá stočení jednoho řetězce hemoglobinu. Nová pozorování rentgenovou strukturální analýzou ukázala, že bílkoviny přenášející kyslík u bezobratlých (konkrétně byla zkoumána bílkovina jednoho druhu komára a jednoho mořského kroužkovitého červa) jsou prostorově stočeny stejně jako myoglobin nebo řetězce hemoglobinu u obratlovců.

Funkční rozmanitost myoglobinu a hemoglobinu naznačuje možnost, jak se genovou duplikací připravují bílkoviny pro nové úlohy. S postupným stanovováním sledů aminokyselin v bílkovinách se objevuje zřetelně obraz vývoje různých enzymů ze společných prehistorických forem. Byla nalezena příbuznost mezi trávicími enzymy trypsinem a chymotrypsinem, které štěpí bílkoviny v potravě, a enzymem trombinem, který při srážení krve přeměňuje fibrinogen ve fibrin odštěpením fibrinopeptidu. Tyto enzymy fyziologicky slouží zcela jiným účelům, ale biochemicky provádějí stejnou činnost: štěpí bílkoviny. Ovšem také enzymy štěpící estery štěpící estery patří do stejné skupiny enzymů. Například enzym cholinesterasa štěpí acetylcholin při podráždění nervů, aby podráždění odeznělo. Substráty proteas a esteras mají chemickou podobnost, která ukazuje na společný základ těchto enzymů:

proteasy štěpí                            esterasy štěpí

R - CO - NH - R'                       R - CO - O - R'

Dalším odvětvím výzkumu, kde nutně selhala morfologická kritéria klasického evolučního výzkumu, jsou viry. U virů se vyskytuje mutace a selekce stejně jako u vyšších organismů. Proto lze u virů očekávat evoluční vývoj. U nejjednodušších virů jsou morfologické a variační možnosti omezeny pravidly krystalografie: nacházíme virové obaly, které mají symetrii spirály nebo ikosaedru (dvacetistěnu). Poznamenejme, že tzv. pravidelnými (symetrickými) mnohostěny je čtyřstěn, šestistěn, osmistěn, dvanáctistěn a dvacetistěn. Shoda v symetrii bílkovinného obalu tedy o možném vývojovém vztahu příliš neřekne. Odchylky ve sledu aminokyselin však udávají spolehlivě rozsah vývojových vztahů.

Takové pokusy byly provedeny například u kmenů viru tabákové mozaiky, které byly izolovány z různých hostitelských rostlin. Zatímco mutanty připravené v laboratořích vykazovaly pouze jednu nebo dvě záměny aminokyseliny ve srovnání s divokým typem, u blízce příbuzného viru z rajských jablíček bylo nalezeno 30 záměn (z celkového počtu 158 aminokyselin) a u viru izolovaného z jitrocele byl nalezen řetězec o dvě aminokyseliny kratší a přibližně se 60 záměnami aminokyselin. Jitrocel prostřední se chová v ostatních vlastnostech jako velmi vzdálený příbuzný normálního kmene tabákové rostliny.

Je třeba si položit otázku, zda jsme se těmito pokusy nevrátili nazpět k myšlenkovému odkazu srovnávací biologie 18.století, tedy zda jen nepokračujeme v Liného pozorováních metodami molekulární biologie. Výzkumy však přinesly závěry zcela zásadního významu.

Prvním závěrem je, že všechny nálezy mluví pro společný základ života.

Druhým závěrem je, že s divergencí v morfologii jde většinou souběžně divergence ve struktuře makromolekul.

Je nápadné, že jsme tyto informace získali průzkumem bílkovinné struktury a nikoliv studiem nukleových kyselin. Nukleové kyseliny se pro průzkum vývojových vztahů mezi druhy neosvědčily. Sledy aminokyselin jsou často variabilní, protože se jednotlivé aminokyselinové zbytky mohou funkčně zastupovat. Ještě variabilnější mohou být sledy bází v DNA genu. Genetický kód je univerzální, avšak jeho degenerace dovoluje přinejmenším třetině bází rozsáhlou volnost výběru, ikdyž kódují tentýž sled aminokyselin. Co vzniklo dříve? Nukleové kyseliny nebo bílkoviny? Odpověď není zdaleka jednoznačná. Většina molekulárních biologů by tipovala na nukleové kyseliny, protože stojí daleko "vpředu" v řetězci životních pochodů. Avšak bez bílkovin by dnešní nukleové kyseliny nemohly vykonávat svoji funkci. Je tedy zcela možné, že bílkoviny se postupně "přiklonily" k tomu, aby v nukleových kyselinách byl uložen jejich stavební plán. V pokusech, ve kterých byl vznik životně důležitých malých molekul z anorganických prekursorů sledován za reakčních podmínek hypotetické "prapolévky", byly prokázány stavební části jak bílkovin tak nukleových kyselin.

V průkopnické době molekulární biologie byly v klinických laboratořích objeveny některé důležité poznatky o základních souvislostech. V následující klasické fázi výzkumu se téměř jedinými výzkumnými objekty staly viry a baktérie, výhodné z technických důvodů. Když však byly vysvětleny principy dědičnosti na mikroorganismech, začal se opět rozvíjet lékařský výzkum.

Fenylketonurie je dědičný defekt, kterým je postižen asi jeden z 15 tisíc narozených. Rozpozná se podle vylučování fenylketonu v moči. Pokud není tato choroba léčena, dochází k nevratnému poškození mozku a idiocii. Sklon k fenylketonurii se dědí jako recesivní dědičný znak podle Mendelových zákonů. Dva lidé, kteří mají oba defektní alelu pro fenylketonurii, mohou očekávat, že se tento gen projeví u čtvrtiny jejich dětí.

Biochemickou příčinou této dědičné choroby je blokace metabolismu fenylalaninu k aminokyselině tyrosinu (viz příloha 8.H). Nebezpečná u tohoto defektu není ztráta schopnosti tvořit aminokyselinu tyrosin, protože tyrosin je bohatě zastoupen v potravě. Mnohem závažnější jsou vzniklé meziprodukty metabolismu, které zejména v nervovém systému působí jako buněčné jedy. Aby se zabránilo poškození mozku, musí se již v nejčasnějším kojeneckém věku začít s velmi obtížnou dietou, která je chudá ne fenylalanin.

Byla to dědičná choroba týkající se látkové přeměny, která již krátce po začátku 20.století vedla anglického lékaře Garroda k závěru, že dědičné faktory účinkují prostřednictvím tvorby určitého enzymu. Tento poznatek byl pro molekulární biologii znovu objeven teprve o deset let později v pokusech Beadla a Tatuma na Neurospoře. Od aminokyseliny tyrosinu se rozvětvuje postranní cesta látkové přeměny, která vede k tvorbě pigmentu melaninu (viz příloha 8.H). Enzymatický defekt v tomto procesu se projeví albinismem. Narůžovělá kůže, bílé vlasy a červená duhovka ukazují, že pigmentace těchto částí těla je pod jedinou genetickou kontrolou. Byl vysvětlen i velký počet méně nápadných onemocnění látkové přeměny, tedy byly určeny příslušné enzymy, které se mutacemi staly defektní.

Pověstná choroba krvácivosti (hemofilie), kterou velký počet mužských potomků anglické královny Viktorie zaplatil životem, je vyvolána defektní tvorbou fibrinu z fibrinogenu. U hemofiliků je normální jak strukturální bílkovina fibrinogen a enzym trombin, který katalyzuje přeměnu fibrinogenu na fibrin, tak i další enzym, který aktivuje trombin. Tento další enzym, trombokinasa, musí však být rovněž aktivován a tento stupeň je u hemofiliků defektní. Defekt se projevuje všeobecně u mužů, kdežto ženy mohou být jenom přenašeči defektního genetického faktoru. Vysvětlení je v tom, že dědičný faktor je umístěn na chromosomu X. Ženy nesou defekt téměř vždy pouze na jednom ze svých chromosomů X. Normální alela genu na druhém chromosomu zabrání vzniku choroby hemofilie. Muži naproti tomu mají pouze jeden chromosom X, který nese bud normální nebo defektní alelu genu pro hemofilii. Muži tedy jsou vzhledem k tomuto genu haploidní. Zdravý muž z rodiny hemofiliků si může být jist, že není nositelem alely této choroby.

Podobný způsob dědičnosti je také u určitých forem dystrofie svalů. V tomto případě se může stát mutací defektní jedna ze strukturálních bílkovin svalového vlákna.

U lidského hemoglobinu bylo možno poprvé lokalizovat chemickou konstrukční vadu u dědičné defektní bílkoviny. Jde o již několikrát zmíněnou záměnu glutamové kyseliny za valin v poloze 6 beta řetězce, která vede k tvorbě hemoglobinu srpkovitých buněk a k anémii. Skutečnost, že gen pro srpkovité erythrocyty je v lidské populaci poměrně značně rozšířen, odporuje zdánlivě tvrzení předchozí kapitoly, že bílkoviny se sníženou výkonnou schopností nemají v evoluci žádné dlouhodobé vyhlídky. Heterozygotní přenašeč genu pro srpkovitou anémii však není nijak znevýhodněn, avšak má-li potomky s dalším přenašečem defektního genu, projeví se u čtvrtiny dětí anémie a mají jen malou naději na přežití.

Geografické rozšíření genu pro srpkovité erythrocyty má souvislost s rozšířením malárie v Africe: u afrických černochů je výskyt genů pro srpkovitou anémii až osm procent. Tato souvislost je vysvětlována tak, že přenašeči, kteří mají v červených krvinkách jak normální tak abnormální hemoglobin, jsou méně náchylní na malárii než lidé, kteří mají pouze normální hemoglobin. Je možné, že vykrystalizovaný hemoglobin S (sickle cell = srpkovitá buňka) ruší v červených krvinkách rozvoj původce malárie, kterým je prvok. U černochů ve Spojených státech, kteří tři sta let nejsou ohrožováni malárií, je četnost výskytu genu pro hemoglobin S zřetelně na ústupu. Zřejmě se ustavila rovnováha mezi výhodou, že člověk méně náchylný na malárii a nevýhodou, že některý z potomků onemocní malárií. Až bude malárie zcela vymýcena, měl by podle těchto úvah zcela vymizet v průběhu generací gen pro hemoglobin S.

V kapitole 17 jsme hovořili o enzymech, které opravují DNA poškozenou UV zářením. Ztráta schopnosti syntetizovat tento enzym vede k usmrcení baktérií již velmi malými dávkami UV záření. Jedna z lidských chorob se projevuje vysokou citlivostí na světlo. Jde o chorobu Xeroderma pigmentosum a dispozice k ní se dědí jako recesivní Mendelův faktor. Účinkem světla dochází k odlupování a degeneraci kůže (xeroderma = suchá kůže). V dalším průběhu této choroby následuje obvykle rakovina kůže. Teprve nedávno byla vysvětlena biochemická příčina této choroby. Z kůže zdravých a nemocných jedinců byly vyňaty živé kousky tkání a vloženy do tkáňových kultur. V tkáňových kulturách byla zabudováním radioaktivně značených prekursorů měřena syntéza DNA. Malé množství buněk, které se začínaly dělit, zabudovalo radioaktivně značené prekursory DNA ve stejné míře, ať již pocházely ze zdravých nebo nemocných tkání. Všechny zdravé buňky naproti tomu syntetizovaly DNA, když byly předtím ozářeny UV zářením. Tato přídavná syntéza DNA neznamená replikaci chromosomů, ale opravu škod způsobených UV světlem. U buněk z tkáně nemocné chorobou Xeroderma se však tato syntéza indukovaná UV zářením neuskutečnila. Choroba tedy spočívá v dědičném defektu enzymů, které zajišťují opravu genetického materiálu.

U mnohobuněčných organismů existuje dvojí dědičnost. Většinou se hovoří o dědičnosti z generace na generaci, kterou zajišťují pohlavní buňky. Procesy dědičnosti však probíhají také během individuálního vývoje. Člověk představuje kolonii asi 10^12 buněk, které vznikají z oplodněné vaječné buňky mnoha generačními buněčnými cykly. Při tomto dělení buněk se musí dědičné faktory právě tak předávat jako při rozmnožování jednobuněčných organismů, ikdyž tento rodokmen buněk smrtí jedince končí. Tyto procesy dědičnosti označujeme jako somatické (řec. soma = tělo). Somatické dědičné změny mohou vést k neškodným zvláštnostem, jako je např. světlá skvrna ve vlasech, nebo jinak zbarvené místo oční duhovky. Somatické změny genového základu, ať již důsledkem mutace nebo rekombinace, by mohly například být jedním z možných vysvětlení rozmanitosti protilátek. Rovněž vznik rakoviny dnes mnozí badatelé považují za problém somatické genetiky.

Jako maligní (zhoubný) nádor se zpravidla označuje skupina tělních buněk, která při růstu a dělení nedodržuje "pravidla hry" organismu. Důsledky tohoto neřízeného růstu jsou dobře známy: někdy může takový nádor poškodit sousední orgány čistě jen svými prostorovými nároky. Jindy může dojít k odloučení buněk a k tvorbě sekundárních nádorů (metastáz), které pronikají do buněčných svazků tkání vzdálených orgánů a rozrušují je. Dříve se výzkum rakoviny zabýval fyziologickými a biochemickými rozdíly mezi nádorovými buňkami a normálními buňkami, dnes se soustřeďuje na problém vzniku rakoviny.

Objevila se hypotéza, že rakovinné buňky pocházejí z jediné buňky, která se geneticky odchýlila od normy. Zřejmě nejsou takové buňky vzácností, avšak většina z nich je imunitní obranou zničena dříve, než se mohou rozrůst v nádor. Je tomu například tehdy, když se změní povrchová struktura těchto buněk. V některých případech však zřejmě selže imunitní systém.

Nádorové buňky mohou vzniknout v nejrůznějších orgánech, v kůži, kostech, svalech, plicích, mozků a v různých žlázách. Zachovávají si některé typické vlastnosti původní tkáně, získávají však nové vlastnosti dané neřízeným růstem. V tkáňových kulturách lze velmi dobře pozorovat rozdíl mezi normálními a nádorovými buňkami. Buňky dáme do živného roztoku v Petriho miskách. Normální buňky na sebe berou ohled, říká se tomu "kontaktní inhibice". Pokud se dvě buňky náhodně dotknou, zastaví se jejich růst a často se protáhnou a zaujmou vzájemnou orientaci, většinou paralelní. Když takové buňky pokryjí buněčným dělením celou plochu Petriho misky, potlačí se další buněčné dělení. Nádorové buňky se chovají zcela jinak. Pohybují se bez zábran jedna přes druhou, pokračují v dělení i tehdy, je-li kultivační plocha příliš malá, takže mohou na sobě ležet ve vrstvách. Tvoří nepravidelné shluky buněk. Zřejmě ztratily schopnost řídit svůj růst prostřednictvím svých povrchů. To se projevuje i tím, že nádorové buňky mají tendenci ke tvorbě agregátů. Za normálních podmínek agregují buňky diferencovaných tkání pouze se stejnými tkáněmi, tedy svalové buňky se svalovými, jaterní s jaterními. Pokud se smísí buňky z nádorů, které vznikly v různých orgánech, nesetkáme se při agregaci s rozlišením buněk.

Nádorové buňky často lze neomezeně pěstovat v tkáňové kultuře a přitom si podržují své nádorové vlastnosti. Z tohoto důvodu by příčinou nádoru mohla být somatická mutace. Mezitím bylo objeveno, že rakovinu lze "vyvolat" určitými chemickými látkami. Tyto látky zvyšují frekvenci vzniku náhodné události, kterou je vznik rakoviny. Podobný účinek mají rentgenové paprsky. Vcelku je však spektrum chemických a fyzikálních zásahů vyvolávajících rakovinu tak široké, že z něj nelze vyvodit žádné závěry o mechanismu, jakým rakovina vzniká.

Zvláštním případem je zmíněná dědičná choroba Xeroderma pigmentosum. Příčinou je narušený mechanismus opravy DNA, který se projevuje pergamenovitým ztenčením kůže, které pak vede téměř vždy ke vzniku rakoviny. Přesto se však uvažuje, že vedle somatické mutace by mohla být příčinou ještě jiná událost.

Biochemik nahlíží na viry jako na neobyčejně složité chemické původce rakoviny. Již více než 70 let jsou známy viry, které rakovinu vyvolávají, avšak teprve v nedávné době se na ně soustředil výzkum rakoviny. Očekává se, že na tomto poli výzkumu rakoviny se objeví výrazné úspěchy. V uplynulých desetiletích se při pokusech na bakteriofázích získala přesná představa o tom, jaké procesy může virus vyvolat při vstupu do buňky. Nádorové viry jsou dnes zkoumány experimentálně na pokusných zvířatech a na tkáňových kulturách. U člověka zatím nebyl jasně prokázán virus, který by vyvolával rakovinu. Přesto však nálezy na různých zvířatech, včetně opic, prokazují možný vznik rakoviny, jako důsledek virové infekce, dost jednoznačně. Je patrně jen otázkou času, kdy se získají obdobné přesvědčivé důkazy u některých forem rakoviny člověka.

Proces změny normální buňky v nádorovou buňku, který označujeme jako "transformaci", lze napodobit v tkáňových kulturách za přesně definovaných podmínek. Izolované živočišné buňky, pocházející většinou z tkání slepic, myší, křečků, opic nebo lidí, se smísí s roztokem nádorového viru a naočkují se na Petriho misky. Mohou nastat dva různé varianty : buď dojde k produktivní infekci, při níž se virus namnoží a uvolní do živného média, zatímco buňky uhynou. Tento proces lze rozeznat pouhým okem, neboť se ve vrstvě buněk na Petriho misce utvoří plaky. Druhá varianta je nepoměrně vzácnější. Virus vnikne do buňky a pozmění ji, nové virové částice se však nevytvoří. Transformací se buňka stane náhle asociální. Roste a dělí se bez ohledu na okolní buňky, kontaktní inhibice je narušena. Za nějaký čas lze pouhým okem pozorovat neuspořádanou buněčnou kolonii v jinak rovnoměrné vrstvě buněk. K tomu, aby se v laboratorním pokuse vyvolalo toto rakovinné bujení, stačí jediná virová částice. Průměrně však každá stotisící virová částice vyvolá transformaci. Existují buněčné typy, které se sice mohou určitým nádorovým virem transformovat, ale neumožní produkci virových částic. Tyto buňky jsou přednostně používány k průzkumu procesů probíhajících při transformaci.

Nejlépe prozkoumaným nádorovým virem je polyomový virus (a jeho blízký příbuzný opičí virus 40 neboli "SV 40"). Je to velmi malý polyedrický virus, který má kruhovou molekulu dvojpramenné DNA. V DNA je pouze pět tisíc členů řetězce, tedy méně než u RNA viru tabákové mozaiky. Můžeme očekávat, že v DNA polyomového viru je asi deset genů a že zřejmě jeden z nich má schopnost přeměnit normální buňky v nádorové. Z hlediska molekulární biologie si stěží lze přát příznivější modelový systém.

Obě varianty infekčního procesu, tvorba nových virových částic a buněčná smrt hostitele, nebo transformace nám připomínají případ bakteriofágu lambda. Odpovídající varianty byly označeny jako lytická a lysogenní infekce. U fágů lambda máme dostatek informací o tom, jak probíhá druhá varianta. DNA- virus se při tom pevně zabuduje do DNA hostitelské buňky a společně s ní se replikuje při dělení buňky. Zatímco několik málo genů fágu zůstane aktivních, tj. tvoří informační RNA a bílkoviny, je většina z nich vyřazena. Celá genetická informace fágu je přítomna v hostitelské buňce, ale v maskované formě. Lze podobnými procesy vysvětlit trvalé změny (transformace) zvířecích nebo lidských buněk nádorovým virem? Sérologickými testy se prokázalo, že transformované buňky tvoří bílkovinu, která je specifická pro transformační nádorový virus. Hybridizací nukleových kyselin se dále prokázalo, že nádorové buňky vzniklé mnoha buněčnými dělícími cykly z původně transformované buňky obsahují informační RNA, která je komplementární k DNA nádorového viru. Aby se tato informační RNA mohla vytvořit, musí buňky obsahovat samotnou DNA viru. Tato DNA je skutečně přítomna a je zabudována do obřích molekul DNA hostitelské buňky.

Je třeba zodpovědět otázku, který z genů polyomu a jakým způsobem mění růstové vlastnosti buňky. Byly izolovány geneticky pozměněné kmeny nádorových virů, které mají transformační schopnost ještě při 30 stupňů Celsia, nikoliv však již při 39 stupních Celsia. Při takových pokusech je metoda tkáňových kultur nepostradatelná, protože savci mají teplotu těla 37 stupňů Celsia. Co znamenají tyto termosenzitivní virové mutanty? Potvrzují, že pro vyvolání rakoviny je skutečně nezbytná funkční schopnost dědičného faktoru. Protože tepelná mutace je většinou důsledkem termosenzitivních bílkovin, lze vyvodit závěr, že virová bílkovina se účastní transformace.

Americký mikrobiolog Dulbecco, jeden z předních badatelů v tomto oboru, se domnívá, že vyvolání rakoviny by mohlo být do určité míry vedlejším produktem jedné funkce, životně důležité pro virus. V tělních buňkách dospělých jedinců je buněčné dělení a vytváření nové DNA většinou velmi nepatrné. Tato regulace se týká také syntézy nízkomolekulárních prekursorů DNA. DNA-virus však potřebuje pro své namnožení velmi aktivní látkovou obměnu DNA v hostitelské buňce, zejména proto, že obsahuje málo genů, aby mohl vytvořit potřebné enzymy. Pro virus je proto jedinou možnou cestou odblokovat aparát buňky pro syntézu DNA. Může k tomu stačit jediná virová bílkovina, která napadne citlivé místo regulačního systému buňky. Jestliže dojde k odblokování syntézy DNA v buňce, může dojít k plynulému buněčnému dělení a tím vznikne nádor.

Doposud shromážděné poznatky získané na malých nádorových DNA-virech, poskytují již hodnověrnou představu o nádorech, které jsou podmíněny viry. Hypotéza, že transformace je vyvolána zabudováním virové nukleové kyseliny do buněčné nukleové kyseliny měla závažný nedostatek: většina nádorových virů neobsahuje žádnou DNA, ale pouze RNA. Již víme, že prozkoumané RNA-viry, jako bakteriofág Qbeta, virus TMV nebo virus dětské obrny tvoří prameny RNA pro virové potomstvo na komplementárních pramenech RNA pomocí vlastního enzymu, k tomu účelu vytvořeného. S DNA hostitele tak nemají co činit. Z chemických důvodů se zdá nemožné, aby se virová RNA zabudovala do DNA hostitele. Je tedy nutné vytvořit novou nádorovou hypotézu pro RNA-viry?

Překvapující poznatky týkající se této otázky byly získány dvěma americkými badateli. Jeden z virů se nazývá Rousův virus sarkomu a vyvolává rakovinu pojivové tkáně u slepic. Druhý vyvolává u slepic leukémii, tj. nádorové bujení bílých krvinek. Částice těchto virů mají tvar kuliček a obsahují ve středu RNA a různé bílkoviny. Toto jádro je obklopeno virově specifickými bílkovinami a celá částice je obalena membránou, která je získána při uvolnění viru z buňky. Uvnitř virové částice byly objeveny některé enzymy, které si virus nese s sebou na své cestě od buňky k buňce. Jeden z těchto enzymů katalyzuje reakci, která sice byla považována za možnou, ale nebyl jí přikládán žádný význam: opačný proces syntézy informační RNA tvorbou DNA na matrici RNA.

Bylo prokázáno, že syntéza DNA je skutečně nutná pro úspěšnou infekci RNA-virem Rousova sarkomu, a to jak po produktivní infekci, kdy vznikají nové virové částice, tak pro transformaci. Tyto nádorové viry tedy používají pro replikaci své RNA hostitelskou DNA. K tomuto účelu přinášejí s sebou enzym, protože tento proces na zdravých buňkách zřejmě neprobíhá. Když se však zhotoví DNA-kopie nukleové kyseliny RNA-viru, může se tato DNA zabudovat do DNA hostitelské buňky.

Objev "opačně kopírujícího enzymu" zobecňuje celkové schéma syntézy bílkovin, protože je možná cesta od RNA k DNA. Americký epidemiolog Huebner jde ještě dále ve svých závěrech, které vyvodil z úspěšných pokusů s nádorovými viry. Na základě bohatého klinického materiálu vyvodil domněnku, že všechny druhy rakoviny jsou vyvolány viry. Ve skutečnosti se technikou hybridizace nukleových kyselin prokázaly u velkého počtu zdánlivě zdravých zvířat nukleové kyseliny nádorových virů. Tato virová kyselina je zřejmě zavlečena většinou jako neškodná, ale stáří, nemoci, chemikálie a záření může porušit rovnováhu v buňkách. Potom může dojít k produkci virových částic nebo k transformaci normální buňky v nádorovou buňku. Dnes se přijímá názor, že maskované virové nukleové kyseliny se předávají nejen při růstu z buňky na buňku, tj. dědí se somaticky, ale také z rodičů na potomky. U vyšších organismů tím mizí hranice mezi infekcí dědičnou nebo virovou. Mutační a virová teorie vzniku rakoviny tak popisuje dva aspekty téže věci.

                                                                                                     - pokračování -

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci