Naukowcy odkrywają wewnętrzne mechanizmy najbardziej skomplikowanej i złożonej maszyny molekularnej w biologii człowieka.
Naukowcy z Centrum Regulacji Genomu (CRG) w Barcelonie opracowali pierwszy kompleksowy plan ludzkiego spliceosomu, najbardziej złożonej i skomplikowanej maszyny molekularnej występującej w każdej komórce. To przełomowe osiągnięcie, nad którym pracowano ponad dekadę, zostało opublikowane w czasopiśmie Nauka.
Spliceosom edytuje transkrypcję wiadomości genetycznych DNAumożliwiając komórkom tworzenie różnych wersji białka z jednego genu. Zdecydowana większość ludzkich genów – ponad dziewięć na dziesięć – jest edytowana przez spliceosom. Błędy w procesie są powiązane z szerokim spektrum chorób, w tym większością rodzajów nowotworów, chorobami neurodegeneracyjnymi i zaburzeniami genetycznymi.
Sama liczba zaangażowanych składników i złożoność jego funkcji sprawiła, że spliceosom pozostawał nieuchwytnym i niezbadanym terytorium w biologii człowieka – aż do teraz.
Plan pokazuje, że poszczególne składniki spliceosomu są znacznie bardziej wyspecjalizowane, niż wcześniej sądzono. Wiele z tych składników nie było wcześniej branych pod uwagę przy opracowywaniu leków, ponieważ ich wyspecjalizowane funkcje były nieznane. Odkrycie może odblokować nowe metody leczenia, które będą skuteczniejsze i będą miały mniej skutków ubocznych.
„Warstwa złożoności, którą odkryliśmy, jest po prostu zdumiewająca. Zwykle wyobrażaliśmy sobie spliceosom jako monotonną, ale ważną maszynę do kopiowania i wklejania. Obecnie postrzegamy go jako zbiór wielu różnych elastycznych dłut, które pozwalają komórkom rzeźbić przekaz genetyczny z precyzją godną starożytnych arcymistrzów rzeźbiących w marmurze. Wiedząc dokładnie, co robi każda część, możemy znaleźć zupełnie nowe perspektywy w leczeniu szerokiego spektrum chorób” – mówi profesor naukowy ICREA Juan Valcárcel, główny autor badania i badacz w CRG.
Najbardziej złożona maszyna molekularna w biologii człowieka
Aby prawidłowo funkcjonować, każda komórka w ludzkim ciele opiera się na precyzyjnych instrukcjach DNA. Instrukcje te są przepisane na RNAktóry następnie przechodzi kluczowy proces edycji zwany splicingiem. Podczas splicingu usuwane są niekodujące segmenty RNA, a pozostałe sekwencje kodujące są łączone ze sobą w celu utworzenia szablonu lub przepisu na produkcję białka.
Chociaż ludzie mają około 20 000 genów kodujących białka, splicing umożliwia produkcję co najmniej pięciokrotnie większej liczby białek, a niektóre szacunki sugerują, że ludzie mogą stworzyć ponad 100 000 unikalnych białek.
Spliceosom to zbiór 150 różnych białek i pięciu małych cząsteczek RNA, które organizują proces edycji, ale jak dotąd specyficzne role jego licznych składników nie zostały w pełni poznane. Zespół z CRG zmienił ekspresję 305 genów związanych ze spliceosomami w ludzkich komórkach nowotworowych, obserwując wpływ splicingu na cały genom.
Ich praca ujawniła, że różne składniki spliceosomu mają unikalne funkcje regulacyjne. Co najważniejsze, odkryli, że białka w rdzeniu spliceosomu nie są jedynie bezczynnymi pracownikami pomocniczymi, ale zamiast tego wykonują wysoce wyspecjalizowane prace polegające na określaniu, w jaki sposób przetwarzane są komunikaty genetyczne, co ostatecznie wpływa na różnorodność ludzkich białek.
Na przykład jeden składnik wybiera, który segment RNA ma zostać usunięty. Inny komponent zapewnia wykonanie cięć we właściwym miejscu sekwencji RNA, podczas gdy inny zachowuje się jak opiekun lub ochroniarz, powstrzymując inne komponenty przed zbyt przedwczesnym działaniem i zniszczeniem szablonu przed jego ukończeniem.
Autorzy badania porównują swoje odkrycie do pracowitej postprodukcji filmowej lub telewizyjnej, gdzie wiadomości genetyczne transkrybowane z DNA są składane jak surowy materiał filmowy.
„Wiele dziesiątek montażystów przegląda materiał i podejmuje szybkie decyzje, czy dana scena przejdzie do ostatecznej wersji. To zdumiewający poziom specjalizacji molekularnej na skalę wielkich hollywoodzkich produkcji, ale następuje nieoczekiwany zwrot akcji. Każdy ze współautorów może wkroczyć, przejąć kontrolę i dyktować kierunek. Zamiast rozpadu produkcji, ta dynamika skutkuje inną wersją filmu. To zaskakujący poziom demokratyzacji, którego nie przewidzieliśmy” – mówi dr Małgorzata Rogalska, współautorka badania.
„Pięta achillesowa” raka
Jednym z najważniejszych odkryć badania jest to, że spliceosom jest w dużym stopniu powiązany ze sobą, a zakłócenie jednego składnika może mieć rozległe skutki w całej sieci.
Na przykład w badaniu manipulowano składnikiem spliceosomu SF3B1, o którym wiadomo, że ulega mutacji w wielu nowotworach, w tym w czerniaku, białaczce i raku piersi. Jest także celem leków przeciwnowotworowych, choć dokładny mechanizm działania – aż do teraz – był niejasny.
Badanie wykazało, że zmiana ekspresji SF3B1 w komórkach nowotworowych uruchamia kaskadę zdarzeń, która wpływa na jedną trzecią całej sieci splicingowej komórki, powodując reakcję łańcuchową niepowodzeń, która przytłacza zdolność komórki do napędzania wzrostu.
Odkrycie jest obiecujące, ponieważ tradycyjne terapie, na przykład ukierunkowane na mutacje w DNA, często powodują, że komórki nowotworowe stają się oporne. Jednym ze sposobów adaptacji nowotworów jest zmiana okablowania maszynerii łączącej. Ukierunkowanie splicingu może wypchnąć chore komórki poza punkt krytyczny, którego nie można zrekompensować, co prowadzi do ich samozniszczenia.
„Komórki nowotworowe mają tak wiele zmian w spliceosomie, że osiągnęły już granicę tego, co jest biologicznie prawdopodobne. Ich zależność od wysoce wzajemnie połączonej sieci splicingowej stanowi potencjalną piętę achillesową, którą możemy wykorzystać do projektowania nowych terapii, a nasz plan pozwala odkryć te słabe punkty” – mówi dr Valcárcel.
„To pionierskie badanie rzuca światło na złożoną interakcję między składnikami spliceosomu, ujawniając wgląd w jego funkcje mechaniczne i regulacyjne. Odkrycia te nie tylko pogłębiają naszą wiedzę na temat funkcji spliceosomu, ale także otwierają potencjalne możliwości ukierunkowania przetwarzania RNA na potrzeby interwencji terapeutycznych w chorobach związanych z rozregulowaniem splicingu” – mówi Dom Reynolds, CSO w Remix Therapeutics, firmie biotechnologicznej na etapie klinicznym w Massachusetts, który współpracował z CRG w sprawie badania.
Wprowadzanie zabiegów łączenia do głównego nurtu
Oprócz raka istnieje wiele innych chorób spowodowanych wadliwymi cząsteczkami RNA powstałymi w wyniku błędów w splicingu. Dzięki szczegółowej mapie spliceosomu, którą autorzy badania udostępnili publicznie, badacze mogą teraz pomóc dokładnie określić, gdzie w komórkach pacjenta występują błędy splicingu.
„Chcieliśmy, aby było to cenne źródło informacji dla społeczności badawczej” – mówi dr Valcárcel. „Leki korygujące błędy splicingu zrewolucjonizowały leczenie rzadkich schorzeń, takich jak rdzeniowy zanik mięśni. Ten plan może rozszerzyć ten sukces na inne choroby i wprowadzić te metody leczenia do głównego nurtu terapii” – dodaje.
„Obecne metody leczenia splicingu skupiają się na rzadkich chorobach, ale to tylko wierzchołek góry lodowej. Wkraczamy w erę, w której możemy zająć się chorobami na poziomie transkrypcji, tworząc leki modyfikujące chorobę, a nie tylko łagodząc objawy. Opracowany przez nas plan toruje drogę zupełnie nowym podejściu terapeutycznym. To tylko kwestia czasu” – podsumowuje dr Rogalska.
Odniesienie: „Sieć splicingu obejmująca cały transkryptom ujawnia wyspecjalizowane funkcje regulacyjne rdzeniowego spliceosomu” autorstwa Malgorzaty E. Rogalskiej, Estefanii Mancini, Sophie Bonnal, André Gohra, Bryana M. Dunyaka, Niccolò Arecco, Petera G. Smitha, Frédérica H. Vaillancourta i Juan Valcárcel, 31 października 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adn8105
