/

Szczęśliwy Piątek,
czyli jak odkryto mRNA

avatar
Emilia Korczmar 26 Kwi, 6 minut czytania

Zanim prześledzimy wielowątkową historię odkrycia informacyjnego RNA, przypomnijmy czym jest i jak powstaje ten rodzaj cząsteczek. Przez dekady poszukiwano odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób informacja genetyczna zakodowana w DNA jest „aktywowana”. Przypuszczano, że musi istnieć jakiś pośrednik między genami a białkami. Właśnie tę rolę pełni informacyjny RNA (messenger RNA, mRNA). Gdyby porównać DNA do wielotomowej encyklopedii, mRNA stanowić będzie kserokopie wybranych stron.

Źródło: khanacademy.org

 

Informacja zawarta na DNA jest przepisywana przez enzym zwany polimerazą – powstają cząsteczki pre-mRNA. Aby stać się w pełni funkcjonalnymi, dojrzałymi mRNA, pre-mRNA muszą przejść przez kilka etapów obróbki:

  • Dodanie czapeczki na końcu 5’,
  • Dodanie ogona poli-A na końcu 3’,
  • Wycięcie intronów (rejonów niekodujących).

W efekcie jądro komórkowe opuszcza „armia” dojrzałych mRNA. Taki zestaw informacyjnych cząsteczek RNA występujących w komórce lub w organizmie w danym czasie nazywamy transkryptomem. Jest to bardzo dynamiczny twór, ponieważ organizmy nieustannie tworzą nowe transkrypty, które biorą udział w biosyntezie białka.

Przepływ informacji genetycznej podlega pewnym żelaznym zasadom, które opisuje centralny dogmat biologii molekularnej (CDBM), przedstawiony na poniższej ilustracji. Jego podstawą jest fakt, że w wyniku transkrypcji z DNA powstaje RNA, który determinuje kolejność aminokwasów w białku.

 

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Centralny_dogmat_biologii_molekularnej

 

Odkrywanie tajemnicy, jaką stanowiła informacja genetyczna, nabrało rozpędu w latach 50. XX wieku. Przełomowa publikacja Watsona i Cricka o strukturze DNA ostatecznie potwierdziła, że informacja na temat organizmów zakodowana jest w sekwencji zasad azotowych. Łączą się one ze sobą komplementarnie: cytozyna zawsze z guaniną, adenina z tyminą (lub z uracylem w przypadku RNA) [1]. To właśnie dzięki zasadzie komplementarności na bazie DNA mogą powstać zarówno identyczne kopie DNA, jak i „przepisane” kopie poszczególnych genów – mRNA. Jednak poznanie struktury DNA było dopiero początkiem przygody.

 

RNA – łącznik dwóch światów

O tym, że pomiędzy DNA a białkami musi istnieć jakiś pośrednik, i że rolę tę pełni RNA, wiedziano już wiele lat przed odkryciem mRNA. Jednym z pierwszych badaczy głoszących ten pogląd był belgijski biochemik Jean Brachet. W 1939 roku opracował on własną technikę detekcji RNA w komórkach. Dzięki niej Brachet obalił panujący na początku XX wieku mit, że RNA, znany wcześniej pod nazwą „kwas fitonukleinowy”, jest charakterystyczny dla roślin, natomiast DNA („kwas tymonukleinowy”) występuje wyłącznie w komórkach zwierzęcych [2]. Wykazanie, że obecność obu kwasów nukleinowych nie jest specyficzna pod względem królestwa czy gatunku, sugerowało dużą uniwersalność tych związków. Z czasem Brachet zauważył również zależność pomiędzy zawartością RNA, a zdolnością komórki do syntezy białek. Te obserwacje doprowadziły naukowca do wniosku, że RNA powstaje w bliżej nieokreślony sposób z DNA, zaś biosynteza białek zachodzi dzięki obecności RNA. W podobnym czasie do tych samych wniosków doszedł również szwedzki badacz, Torbjörn Caspersson [3]. Jednak kluczowym pojęciem, którego brakowało w założeniach obu naukowców, była informacja genetyczna – to, co spaja ze sobą te trzy rodzaje cząsteczek.

 

Początki

Pierwszy dowód potwierdzający rolę RNA w biosyntezie białek pojawił się w 1952 roku w Instytucie Pasteura w Paryżu. Jacques Monod wraz ze swoim zespołem badał bakterie Escherichia coli zdolne do produkcji β-galaktozydazy. Enzym ten umożliwia bakteriom rozkładanie laktozy zawartej w pożywce, by wykorzystać ją jako źródło węgla. Zespół Monoda ustalił, że synteza β-galaktozydazy ma miejsce tylko w obecności uracylu – nukleotydu specyficznego dla RNA. Zatem bez uracylu nie powstanie RNA, a bez RNA nie zajdzie synteza białka [4].

Cztery lata później Elliot Volkin i Lazarus Astrachan, badając ten sam gatunek bakterii, natrafili na inne ciekawe zjawisko. Użyli oni bakteriofaga do infekcji bakterii, po czym wykryli w komórkach bakteryjnych nowy RNA, którego sekwencja była niespotykana wśród E. coli [5]. Wtedy z tej obserwacji nie wynikały jeszcze żadne wnioski, jednak wkrótce pojawiło się wyjaśnienie.

Molekuła X

Jacques Monod w dalszym ciągu kontynuował badania nad bakteriami E. coli i ich zdolnością do syntezy β-galaktozydazy. Zaangażowani byli również Arthur Pardee oraz Francois Jacob. Ich eksperymenty stały się znane pod skrótem PaJaMa, pochodzącym od pierwszych liter nazwisk naukowców. Tym razem zmutowane bakterie E. coli nie były zdolne do syntezy β-galaktozydazy, dopóki nie wprowadzono do nich genu z+, kodującego ten enzym. Wprowadzenie genu z+ do komórek bakteryjnych sprawiało, że w ciągu kilku minut rozpoczynała się produkcja β-galaktozydazy [6]. Francuscy badacze wywnioskowali wtedy, że wprowadzenie DNA prowadzi do powstania jakiejś cząsteczki sygnałowej, która wpływa na komórkowy system syntezy białka. Rozpoczęto poszukiwania tej tajemniczej cząsteczki, którą nazwano „molekułą X”.

Magnetyczna taśma

Nie od dziś wiadomo, że „burza mózgów” może przynieść wiele ciekawych pomysłów. Często gdy odmienne punkty widzenia zderzają się ze sobą, obraz sprawy staje się większy, bardziej realistyczny. Do takiej myślowej kolizji doszło 15 kwietnia 1960 roku w Cambridge. Dzień ten został później nazwany „Szczęśliwym Piątkiem”. Grupa badaczy zebrała się w gabinecie Sydney Brennera na „afterparty” po konferencji naukowej. Wśród nich był między innymi wspomniany wcześniej Francois Jacob z Instytutu Pasteura oraz słynny Francis Crick. Naukowcy od lat mieli dobre relacje, lecz prowadzili różne badania, w związku z czym rzadko o nich rozmawiali. Tego wieczoru Jacob opowiedział o poszukiwanej „molekule X”. Crick i Brenner natychmiast połączyli fakty i w pośpiechu, przekrzykując się wzajemnie, starali się podzielić swoim wnioskiem z obecnymi w gabinecie badaczami. Otóż poszukiwana przez francuski zespół „molekuła X” zdawała się być tą samą cząsteczką, którą odkryli wspomniani wcześniej amerykańscy naukowcy: Volkin i Astrachan. Zatem był to kwas rybonukleinowy. Wkrótce Jacob i Monod nadali tej cząsteczce nazwę „informacyjny RNA” (messenger RNA). Crick natomiast stworzył bardzo obrazową analogię – porównał mRNA do taśmy magnetycznej, która kopiuje informację zawartą w DNA i przenosi ją do rybosomu. Rybosom z kolei działa jak magnetofon – odczytuje „taśmę” kodon po kodonie, dzięki czemu powstaje odpowiednie białko. Ta analogia była nie tylko wyjątkowo trafna, ale również bardzo nowatorska, gdyż odnosiła się do ówczesnych nowych technologii [4].

Dwa zespoły – jeden cel

Hipoteza postawiona w „Szczęśliwy Piątek” zdawała się być prawidłowa, lecz należało ją jeszcze potwierdzić empirycznie. Jacob i Brenner zaczęli natychmiastowo przygotowywać plan badań. Nawet w trakcie imprezy u małżeństwa Crick dwaj naukowcy byli pochłonięci sprawą mRNA. Jacob wspominał tamten wieczór następująco:

„Trudno było odizolować się na tak wspaniałym, żywym zgromadzeniu, z wszystkimi ludźmi stłoczonymi wokół nas, którzy rozmawiali, krzyczeli, śmiali się, śpiewali i tańczyli. Niemniej jednak, ściśnięci przy małym stoliku niczym na bezludnej wyspie, szliśmy dalej, w rytmie naszej własnej ekscytacji, omawiając nasz nowy model i przygotowania do eksperymentu… Sydney w euforii zapisywał całe strony obliczeniami i wykresami. Francis czasami wtykał głowę na chwilę, żeby wytłumaczyć nam, co powinniśmy zrobić. Od czasu do czasu jeden z nas wychodził po drinki i kanapki.” [7]

Niedługo później do entuzjastycznego duetu badawczego dołączył również Matt Meselson, który dysponował niezwykle przydatnymi w badaniach wirówkami. Celem eksperymentu była nie tylko izolacja mRNA, ale również sprawdzenie, czy cząsteczka ta jest zaangażowana w powstawanie nowych rybosomów. Po kilku miesiącach zmagań z dostosowaniem warunków reakcji, badacze znaleźli odpowiedź – małe i nietrwałe cząsteczki RNA, powstałe na bazie fagowego DNA, łączyły się z już istniejącymi rybosomami. Te cząsteczki były informacyjnym RNA [4].

Czy gdyby Szczęśliwy Piątek nie miał miejsca, mRNA również zostałoby odkryte? Najprawdopodobniej tak, i to nawet w podobnym czasie, ponieważ badania w tym kierunku podjęło również kilku innych naukowców. Wśród nich był Jim Watson, który wpadł w furię, gdy dowiedział się, że Jacob, Brenner i Meselson planują opublikować swoje przełomowe wyniki w Nature. Zespół Watsona w niezależny sposób doszedł do tych samych wniosków, dlatego Watson wysłał do Brennera telegram z prośbą o wstrzymanie się z publikacją, aż jego zespół dokończy swój artykuł. W ten sposób obie publikacje ukazały się „ramię w ramię” na łamach czasopisma Nature 13 maja 1961 roku [8, 9].

Kto odkrył mRNA? Trudno odpowiedzieć jednoznacznie. Za tym przełomowym odkryciem stoi wielu naukowców, którzy potrafili spojrzeć na problem badawczy z różnych perspektyw, stosując odmienne techniki. Obie publikacje z 1961 roku należą łącznie do dziewięciu autorów, choć liczba ta nie uwzględnia wszystkich osób, których wkład przyczynił się do odkrycia. Wyróżnienie Nagrodą Nobla tylko kilku z nich byłoby niesprawiedliwe wobec pozostałych badaczy. Historia ta jest jednak niesamowicie inspirująca, ponieważ stanowi przykład naukowej współpracy. Różne punkty widzenia starły się ze sobą, prowadząc do odkrycia, bez którego nauka i medycyna nie byłyby dziś takie same.

 

Bibliografia:

[1] Watson J.D., Crick F.H.C. A structure for deoxyribonucleic acid. „Nature” 1953

[2] Brachet J. La localisation des acides pentosennucliiques dans les tissus animaux et les oeufs d’Amphibiens en voie de dcveloppement. Arch. Biol. 53: 207-257. 1942

[3] Caspersson T. Studien uber den Eiweissumsatz der Zelle. Naturwissenschaften 29 33-43. 1941

[4] Cobb M. Who discovered mRNA? Current Biology 2015

[5] Volkin, E., and Astrachan, L. Phosphorous incorporation in Escherichia coli ribonucleic acid after infection with bacteriophage T2. Virology 2, 149–161. 1956

[6] Pardee, A.B., Jacob, F., and Monod, J. The genetic control and cytoplasmic expression of “inducibility” in the synthesis of β-galactosidase by E. coli. J. Mol. Biol. 1, 165–178. 1959

[7] Jacob, F. The Statue Within (London: Unwin Hyman) 1988

[8] Brenner, S., Jacob, F., and Meselson, M. An unstable intermediate carrying information from genes to ribosomes for protein synthesis. Nature 190, 576–581. 1961

[9] Gros, F., Hiatt, H., Gilbert, W., Kurland, C.G., Risebrough, R.W., and Watson, J.D. Unstable ribonucleic acid revealed by pulse labelling of Escherichia coli. Nature 190, 581–585. 1961

 

Podziel się: