DANIEL NATHANS

V roce 1978 získali Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu Švýcar Werner Arber a Američané Daniel Nathans a Hamilton Othanel Smith – tři molekulární biologové, kteří se zasloužili o poznání restrikčních enzymů.

Někdy na počátku 20. století se v Americe potkali Sára Levitanová a Samuel Nathans, dva mladí židé z Ruska. V roce 1910 uzavřeli ve Filadelfii sňatek, usadili se ve Wilmingtonu ve státě Delaware, otevřeli si tam obchůdek s levným zbožím a měli spolu devět dětí. Nejmladší Daniel přišel na svět 30. října 1928 a do prvních narozenin mu chybělo 5 dní, když „černý pátek na newyorské burze“ ohlásil velkou hospodářskou krizi, která otcův podnik zruinovala a rodinu uvrhla do bídy. V domku s děravou střechou pak Nathansovi strádali zimou a rodiče i hladem, na překonávání těžkých časů se však podle svých sil podílel každý člen rodiny – i Daniel od 10 let drobnými výdělky za různé práce o nedělích a prázdninách, ale i ve všední dny po návratu ze školy.

Učil se dobře. Později následoval své bratry a sestry na Delawarskou univerzitu, v blízkém Newarku studovat chemii, filozofii a literaturu s vědomím, že on je poslední nadějí na splnění snu otce Samuela mít v rodině lékaře. V Newarku, kam z rodného města denně dojížděl autostopem, dokončil v roce 1950 bakalářské studium chemie a vstoupil na Washingtonovu univerzitu ve městě Saint Louis ve státě Missouri, odkud se chtěl domů vrátit jako praktický lékař. Prázdninová práce u farmakologa Olivera Lowryho v létě 1951 však toto předsevzetí zviklala. Daniel Nathans dostudoval v roce 1954 medicínu s představou, že ve své kariéře spojí povolání lékaře, učitele i výzkumníka.

Tak viděl svou budoucnost i po ročním studijním pobytu u proslulého klinika Roberta Loeba v Presbyteriánské nemocnici Kolumbijské univerzity a po následujících 2 letech v Národním onkologickém ústavu v marylandské Bethesdě, kde vedle péče o nemocné zkoumal proteosyntézu v buňkách myšího plazmocytomu. V Bethesdě také počátkem roku 1956 poznal právničku Joanne Gombergovou, hned 4. března se oženil a zakrátko byl otcem tří synů, z nichž Eli vystuduje práva a skončí jako historik na Univerzitě Johnse Hopkinse, Benjamin se stane profesorem evropských dějin na Pennsylvánské univerzitě a Jeremy molekulárním biologem a neurovědcem na Hopkinsově univerzitě.

Ještě další 2 roky u Roberta Loeba potřeboval Daniel Nathans ke konečnému rozhodnutí, než v roce 1959 v laboratoři laureáta Nobelovy ceny za objev koenzymu A Fritze Lipmanna v newyorském Rockefellerově ústavu vykročil na cestu badatele v základním výzkumu. Z postgraduálního studia brzy zběhl, aby se mohl věnovat mechanismu syntézy bílkovin v buňkách plazmocytomu a později v jednodušším systému bakterie Escherichia coli, odkud s Lipmannem poprvé purifikoval „elongační faktory“ připojování aminokyselin do peptidových řetězců (Transfer of Amino Acids from Aminoacyl-sRNA to Protein on Ribosomes of E. coli. Proc Natl Acad Sci USA 1961; 47: 497–504; s Lipmannem). Ve spolupráci s objevitelem genetické transdukce Nortonem Zinderem prokázal, že RNA kolifágů skupiny f2 účinkuje v extraktech z E. coli jako polygenní messenger řídící syntézu bílkoviny obalu fága (Biosynthesis of the Coat Protein of Coliphage f2 by E. coli extracts. Proc Natl Acad Sci USA 1962; 48: 1424–1431; s Notanim, Schwartzem a Zinderem).

V roce 1962 mu jeho bývalý saintlouiský učitel a nyní přednosta mikrobiologického ústavu na baltimorské Univerzitě Johnse Hopkinse William Barry Wood junior nabídl vedení genetického oddělení. Nathans nabídku přijal. V pokračování newyorského výzkumu prokázal inhibici syntézy bílkovin a předčasné ukončení fágové translace začleněním antibiotika puromycinu do rostoucího polypeptidového řetězce (Puromycin Inhibition of Protein Synthesis: Incorporation of Puromycin into Peptide Chains. Proc Natl Acad Sci USA 1964; 51: 585–592), prokázal, že RNA kolifágů skupiny f2 působí v extraktech z E. coli jako polygenní messenger řídící syntézu RNA syntetázy, druhé ze tří známých fágových bílkovin (Cell-Free Protein Synthesis Directed by Coliphage MS2 RNA: Sequential Synthesis of Specific Phage Proteins. Biochem Biophys Res Comm 1967; 28: 587–597; s Eggenovou a Oeschgerem), dále prokázal specifickou messengerovou aktivitu fragmentů fágové RNA in vitro (Coliphage MS2 Containing 5-Fluorouracil, II. RNA-Deficient Particles Formed in the Presence of 5-Fluorouracil. J Mol Biol 1967; 28: 95; se Shimurou a Mosesem) a konečně v pokusech s in vitro translací fragmentů RNA bakteriofága MS2 extrahovaných z RNA-deficientních částic po kultivaci MS2 v přítomnosti 5-fluorouracilu prokázal, že fragmenty fluorouracil-RNA řídí syntézu bílkoviny fágového obalu, nikoliv RNA syntetázy (Fragments of MS2 RNA as Messengers for Specific Bacteriophage Proteins: Fragments from Fluorouracil-Containing Particles. J Mol Biol 1968; 38: 453–455; se Shimurou a Kaizerem).

Po odchodu dvou virologů z ústavu na sklonku šedesátých let 20. století požádal přednosta Wood svého bývalého studenta, od roku 1965 mimořádného a od roku 1967 řádného profesora a nositele Waksmanovy ceny, aby převzal přednášky o živočišných virech. V přípravách na tento úkol se Nathans ponořil do problematiky onkovirů, shledal je výtečnými modely genetických mechanismů v buňkách jimi infikovaných a rozhodl se zaměřit na ně svůj výzkum. Vybral si opičí virus SV40, jeden z nejjednodušších živočišných virů transformujících kultivované buňky k onkogenicitě, a po celou první polovinu roku 1969 se s ním seznamoval ve Weizmannově vědeckém ústavu v izraelském městě Rechovot.

Jednoho dne mu kolega Hamilton Smith v dopise z Baltimoru popsal svůj objev enzymu, jímž bakterie Haemophilus influenzae degraduje DNA jiných buněk, a zmínil předpoklad, že enzym štěpí DNA ve specifických místech. Nathans chápal význam štěpení pro mapování struktury DNA. Když se vrátil do Ameriky se značkovanou DNA viru SV40, zkoušel se studentem Stuartem Adlerem tuto DNA štěpit všemi známými restrikčními enzymy a začal s enzymem E. coli B, ten však DNA neštěpil ve specifických místech.

Smith a jeho „postdoc“ Thomas Kelly mezitím už věděli, že restrikční enzym bakterie Haemophilus influenzae štěpí DNA pouze ve specifických místech sestávajících z krátkých definovaných nukleotidových sekvencí. Význam specifických fragmentů pro výzkum však nedocenili a po uveřejnění svého objevu v roce 1970 přešli od restrikčních enzymů k jinému tématu. Opuštěné látky se tehdy chopil Nathans a se studentkou Kathleen Dannaovou v sérii pokusů prokázal, že restrikční endonukleáza bakterie Haemophilus influenzae štěpí DNA viru SV40 v deseti specifických místech na jedenáct specifických fragmentů rozlišitelných elektroforézou na polyakrylamidovém gelu (Specific Cleavage of Simian Virus 40 DNA by Restriction Endonuclease of Hemophilus influenzae. Proc Natl Acad Sci USA 1971; 68: 2913–2917; s Dannaovou).

V roce 1972 převzal po Woodovi vedení ústavu. S Dannaovou mapoval místa transkripce a genetické variace v genomu SV40 se závěrem, že replikace DNA SV40 postupuje od specifického místa dvousměrně asi do poloviny molekuly (Bidirectional Replication of Simian Virus 40 DNA. Proc Natl Acad Sci USA 1972; 69: 3097–3102; s Dannaovou). S Kathleen Dannaovou a Georgem Sackem vytvořil první mapu štěpení virové DNA (Studies of Simian Virus 40 DNA. VII. A Cleavage Map of SV40 Genome. J Mol Biol 1973; 78: 363–376; s Dannaovou a Sackem). Sestavil transkripční mapu genomu SV40 v transformovaných buněčných liniích (A Transcriptional Map of SV40 Genome in Transformed Cell Lines. Virology 1975; 63: 263–272; s Khourym, Martinem a Leeovou). V roce 1976 dostal Cenu Národní akademie věd.

Nobelovou cenou za fyziologii nebo medicínu byli v roce 1978 „za svůj objev restrikčních enzymů a jejich uplatnění v otázkách molekulární genetiky“ poctěni Werner Arber z Basilejské univerzity a molekulární biologové Daniel Nathans a Hamilton Smith z Univerzity Johnse Hopkinse – Arber za objev restrikčních enzymů při analýze hostitelem řízené modifikace a za předpověď jejich vazby na periodické stavební prvky DNA fága k obraně buňky proti cizím genům, Smith za ověření Arberovy hypotézy purifikovaným bakteriálním restrikčním enzymem a za průkaz, že tento enzym štěpí DNA uprostřed určité symetrické sekvence a různé restrikční enzymy rozpoznávají různé sekvence, a Nathans za průkopnické uplatňování restrikčních enzymů v genetice, za konstrukci první genetické mapy štěpením DNA opičího viru SV40 restrikčními enzymy a za vypracování příslušné metodologie pro podrobné mapování. Dne 8. prosince 1978 měl Nathans ve Stockholmu nobelovskou přednášku (Restriction Endonucleases, Simian Virus 40, and the New Genetics. Science 1979; 206: 903–909) a 10. prosince 1978 řekl profesor Peter Reichard z Karolinského lékařsko-chirurgického institutu v prezentačním projevu, že genetika zrozená před více než 100 lety v pokusech Gregora Mendela a dospěvší k poznání úlohy DNA v genetické informaci vstoupila díky objevům trojice laureátů do nové éry.

V roce 1979 byl Nathans zvolen do Národní akademie věd. Pokračoval ve studiu genomu SV40 s užitím restrikčních enzymů k tvorbě mutantních forem viru se zničenými úseky DNA, zaváděných opět do hostitelských buněk (Mutational Analysis of the Simian Virus 40 Replicon: Pseudorevertants of Mutants with a Defective Replication Origin. Proc Natl Acad Sci USA 1979; 76: 6128–6131; se Shortlem a Margolskeem. – Isolation of Mutants of an Animal Virus in Bacteria. Science 1980; 209: 1392–1396; s Pedenem, Pipasem a Pearson-Whiteovou. – Regulatory Mutants of Simian Virus 40: Effect of Mutations ata T Antigen Binding Site on DNA Replication and Expression of Viral Genes. J Mol Biol 1982; 156: 531–548; s DiMaiem). Jeho pracoviště neslo od akademického roku 1981/1982 název Ústav molekulární biologie a genetiky. V roce 1982 byl jmenován profesorem molekulární biologie a genetiky Hopkinsovy univerzity.

V následujících letech studoval účinky růstových faktorů na reprodukci v kulturách myších buněk (Growth-Related Changes in Specific mRNAs of Cultured Mouse Cells. Proc Natl Acad Sci USA 1983; 80: 4271–4275; s Linzerem). Izoloval a charakterizoval některé z prvních buněčných genů aktivovaných při stimulaci růstu a dělení buněk (A Naturally Occurring Truncated Form of FosB That Inhibits Fos/Jun Transcriptional Activity. Cell 1991; 64: 751–759; s Nakabeppuem). V roce 1993 dostal Národní medaili za vědu. V akademickém roce 1995/96 působil jako prozatímní prezident Univerzity Johnse Hopkinse, načež se hned vrátil ke svému výzkumu a pokračoval v něm i poté, co v roce 1997 onemocněl akutní myelogenní leukémií. V lednu 1999 zřídila baltimorská univerzita McKusick-Nathansův ústav genetického lékařství, nazvaný po něm i po dalším průkopníku oboru. Profesor Daniel Nathans zemřel 16. listopadu 1999. Jedna ze čtyř kolejí baltimorské lékařské fakulty nese jeho jméno.

MUDr. Pavel Čech

Kabinet dějin lékařství 3. LF UK

Ruská 87, 100 00 Praha 10

e-mail: pavel.cech@lf3.cuni.cz