Tajemnice RNA, czyli kilka słów o niekodujących cząsteczkach

avatar
Emilia Korczmar 30 maja, 6 minut czytania

Odkrycie kwasów nukleinowych przez Johanna Mieschera w drugiej połowie XIX wieku było przełomowym momentem w świecie nauki. Kluczową rolę w kierowaniu procesami życiowymi od lat przypisuje się białkom. Informacja na ich temat zakodowana jest w uniwersalnym nośniku – kwasie deoksyrybonukleinowym. Dzięki temu to właśnie DNA znalazło się na podium sławy. W jego cieniu stał niedoceniany w pełni RNA – cichy bohater o wielu twarzach.

Centralny dogmat biologii molekularnej głosi, że przepływ informacji genetycznej następuje od DNA poprzez RNA do białka. Z tego powodu przypisuje się RNA funkcję pośrednika w ekspresji genów. Jest to istotna rola, jednak stanowi ona wierzchołek góry lodowej możliwości kwasu rybonukleinowego. Słysząc o RNA, najczęściej przychodzi nam na myśl znana ze szkoły trójca: mRNA, tRNA oraz rRNA. Ten pierwszy, matrycowy RNA, powstaje w wyniku przepisywania (transkrypcji) informacji z DNA. Jest on więc kodującym RNA, gdyż zawiera zakodowaną informację na temat białek, które mają powstać. W kolejnym etapie (translacja) formuje się łańcuch polipeptydowy – inaczej mówiąc, sekwencja rybonukleotydów jest tłumaczona na sekwencję aminokwasów które, połączone w dłuższe łańcuchy, tworzą białka. Proces ten odbywa się z udziałem RNA rybosomowego (rRNA) oraz translacyjnego (tRNA). Pierwszy z nich pełni funkcję rusztowania, a drugi kuriera, gdyż dostarcza niezbędne aminokwasy. Oba należą do grupy niekodującego RNA (non-codingRNA, ncRNA), ponieważ nie kodują one sekwencji żadnego białka. Jako że wszystkie procesy życiowe są nierozerwalnie związane z produkcją białek, mogłoby się wydawać, że większość RNA to cząsteczki kodujące. Tymczasem geny, na podstawie których powstają białka, stanowią jedynie 2% całego genomu człowieka. Pozostałe 98%, kiedyś niesłusznie nazywane „śmieciowym DNA” (junk DNA), to w większości elementy powtórzone, ale również sekwencje zaangażowane w powstawanie licznej i różnorodnej grupy cząsteczek ncRNA. [1]

Rysunek 1. Typy niekodującego RNA [Źródło: Losko M., Kotlinowski J., Jura J., „Long noncoding RNAs in metabolic syndrome related disorders”, Hindawi Publishing Corporation, Volume 2016]

Wspomniane powyżej RNA rybosomowe i translacyjne należą do RNA konstytutywnego. Są to cząsteczki, które występują w podobnej ilości we wszystkich komórkach, gdyż kontrolują podstawowe procesy, takie jak biosynteza białka. Udział w tak istotnych mechanizmach sprawia, że nawet drobne zaburzenia funkcji tych cząsteczek mogą uczestniczyć w powstawaniu poważnych schorzeń, na przykład schizofrenii. [1] Do konstytutywnego RNA należą również snRNA (small nuclear RNA) oraz snoRNA (small nucleolar RNA). Oba odpowiadają za modyfikację i dojrzewanie pierwotnych transkryptów. Proces dojrzewania polega między innymi na wycinaniu fragmentów niekodujących, zwanych intronami. Do lat 80-tych XX wieku uważano, że tego typu procesy mogą być katalizowane wyłącznie przez białka. [2] RNA jednak potrafi być bardziej niezależne, niż mogłoby się wydawać, a odkrycie rybozymów jest kamieniem milowym biologii molekularnej. Rybozymy to cząsteczki RNA wykazujące właściwości enzymatyczne, a więc zdolne do przeprowadzania reakcji. Część z nich to introny, które potrafią samodzielnie wyciąć się z transkryptu, a następnie uczestniczyć w „sklejeniu” pozostałych fragmentów kodujących (egzonów)(patrz przypis 1). Inne modyfikują niedojrzałe tRNA lub uczestniczą w syntezie rybosomów. [3] Funkcję rybozymu pełni również małe jądrowe RNA (snRNA), dzięki czemu może ono sprawnie wycinać introny oraz redagować mRNA. Użyteczność snRNA nie ogranicza się tylko do pełnionych przez nie funkcji, ale stanowi również potencjalne narzędzie diagnostyczne wśród pacjentek z rakiem jajnika, gdyż pozwala oszacować ryzyko nawrotu nowotworu. [1]

Podobne nadzieje w zakresie diagnostyki związane są z cząsteczką o zbliżonej nazwie – małym jąderkowym RNA (snoRNA). Jak sama nazwa wskazuje, snoRNA zlokalizowane jest w jąderku – strukturze pozbawionej błony, znajdującej się wewnątrz jądra komórkowego. To tam zachodzi między innymi dojrzewanie pierwotnego transkryptu, a snoRNA pośrednio kontroluje ten proces. Trudno jednak wymienić funkcje charakterystyczne dla wszystkich cząsteczek małego jąderkowego RNA, ponieważ jest to najbardziej liczna i różnorodna grupa niekodującego RNA. Wiadomo jednak, że u wszystkich kręgowców snoRNA to introny, które po wycięciu z mRNA otrzymują drugie życie. [2] Większość z nich zaangażowana jest w podstawowe procesy komórkowe, takie jak utrzymywanie stabilności genomu czy powstawanie rybosomów. W tym drugim procesie snoRNA umożliwia modyfikację chemiczną nukleotydów w rybosomowym RNA. Jest to bardzo korzystna funkcja, ponieważ modyfikacje chronią RNA przed degradacją oraz ułatwiają fałdowanie i tworzenie struktur III-rzędowych (przypis 2). Co ciekawe, wiele snoRNA ulega ekspresji jedynie w mózgu, a niemal wszystkie spośród nich podlegają imprintingowi rodzicielskiemu. [4] Ten tajemniczo brzmiący termin odnosi się do pary alleli, czyli wersji genów, które dziedziczymy od swoich rodziców – jeden od matki, drugi od ojca. Podczas gdy jeden z nich ulega ekspresji, drugi jest wyciszony. Wbrew pozorom, wyciszony allel jest nam jednak potrzebny do prawidłowego funkcjonowania. Utrata matczynej lub ojcowskiej kopii może skutkować poważnymi wadami wrodzonymi, takimi jak zespół Pradera-Williego (przypis 3). Dokładny mechanizm imprintingu wciąż nie jest poznany, jednak przypuszcza się, że snoRNA mogą odgrywać w nim bezpośrednią rolę [1]. Ogromna różnorodność funkcjonalna tych cząsteczek pozwala nam zarówno lepiej zrozumieć ekspresję genów, jak i opracowywać skuteczne metody diagnostyczne w zakresie wielu chorób. A przecież snoRNA to tylko jeden z wielu typów kwasu rybonukleinowego.

 

Pod względem różnorodności struktury i funkcji, RNA regulatorowe nie ustępuje cząsteczkom konstytutywnym. Najważniejsze aspekty regulacji dotyczą biosyntezy białka oraz struktury chromatyny (przypis 4). Produkcja białka to wieloetapowy proces, który musi podlegać szczegółowej kontroli i weryfikacji, aby zminimalizować ryzyko błędów. W translacji jednym z takich regulatorów jest BC200 RNA (Brain Cytoplasmic RNA) – cząsteczka o długości 200 nukleotydów, po raz pierwszy zaobserwowana u małp. Najczęściej ulega ekspresji w komórkach układu nerwowego, lecz wyjątkiem są tkanki guzowe pochodzące z różnych nowotworów, między innymi raka piersi, jajnika czy płuc. Nadekspresja tej cząsteczki może przyczyniać się do utraty plastyczności synaps, a w konsekwencji do rozwoju Alzheimera. BC200 to kolejny przykład cząsteczki RNA, której „drobne” zachwianie w ekspresji działa jak reakcja łańcuchowa, prowadząc do trudnych w leczeniu schorzeń. Jeszcze lepiej poznaną klasą cząsteczek regulatorowych jest miRNA (mikroRNA). Przez kilkadziesiąt lat uważano, że za kontrolę ekspresji genów odpowiedzialne są wyłącznie białka. Tymczasem dla prawie jednej trzeciej ludzkich genów funkcję tę pełnią mikroRNA. Co ciekawe, każdy miRNA oddziałuje na wiele mRNA, a większość mRNA podlega regulacji wielu miRNA, dzięki czemu tworzy się gęsta sieć regulacji genów. [2] Nic więc dziwnego, że niektóre wirusy przejmują kontrolę nad genami kodującymi miRNA u swoich gospodarzy. MikroRNA pełnią również kluczową rolę w rozwoju mózgu i specjalizacji komórek nerwowych. Zaburzenia w ekspresji tych cząsteczek są bezpośrednią przyczyną rozwoju wielu nowotworów, między innymi glejaków mózgu. [1] Na szczęście nasza wiedza w tym temacie wciąż rośnie. Trwają badania nad opracowaniem strategii terapeutycznych opartych na mikroRNA. Jedna z nich polega na zastosowaniu syntetycznych oligonukleotydów komplementarnych do tej cząsteczki miRNA, której nadekspresja powoduje rozwój glejaka mózgu. Połączenie specjalnie zaprojektowanego łańcucha z daną cząsteczką pozbawia ją pełnionych funkcji. Równoczesna aktywacja apoptozy, czyli zaprogramowanej śmierci komórki, skutecznie hamuje rozwój guza. Ponieważ mikroRNA posiada wiele funkcji, strategie przeciwnowotworowe oparte na tych cząsteczkach mogą być dużo bardziej stabilne od pozostałych form terapii. [5] Wyzwaniem jest jednak takie dostarczenie terapeutyków, aby uśmierciły one komórki nowotworowe, jednocześnie nie naruszając komórek zdrowych.

Wciąż daleko jesteśmy od poznania wszystkich funkcji niekodującego RNA, lecz postrzeganie tych cząsteczek zmieniło się diametralnie w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Staramy się odnaleźć i pojąć kolejne połączenia aby lepiej zrozumieć świat oraz nas samych. Wiemy coraz więcej o życiu organizmów, a każda informacja jest jak element gigantycznych puzzli. I takie też powinno być nasze podejście do świata nauki, jak do układania puzzli – każdy, nawet pozornie nieistotny element ma swoje miejsce w tej misternej układance. Potrzeba tylko cierpliwości.

Przypisy:

1. Tak zwane „składanie” (splicing) to element obróbki potranskrypcyjnej. Pierwotny produkt transkrypcji (pre-mRNA) zawiera elementy niekodujące (introny). Po ich wycięciu, sekwencje kodujące (egzony) ulegają połączeniu, jednak mogą one być składane w różnych kombinacjach, co w efekcie daje różne białka – produkty ekspresji tego samego genu.

2. Struktura III-rzędowa – termin dotyczący najczęściej białek i rybozymów, które ulegają fałdowaniu przyjmując strukturę przestrzenną stabilizowaną przez wiązania różnego typu i dopiero wówczas mogą pełnić swoją funkcję.

3. Zespół Pradera-Williego – zespół wad wrodzonych uwarunkowany genetycznie. Charakterystyczne objawy to niski wzrost, otyłość spowodowana niepohamowanym uczuciem głodu, upośledzenie umysłowe i niedorozwój narządów płciowych. [źródło: http://www.endokrynologiapediatryczna.pl/]

4. Chromatyna – kompleks DNA i białek. Posiada hierarchiczną strukturę, której podstawową jednostką organizacyjną jest nukleosom zbudowany z oktameru białek histonowych, na które nawinięte jest DNA. Struktura chromatyny umożliwia upakowanie długiego łańcucha DNA w jądrze komórkowym. [źródło: http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/Chromatyna/ ]

 

Źródła:

[1] Sosińska P., Zaorska K., Nowicki M., „Niekodujące RNA jako potencjalne cele i narzędzia we współczesnej diagnostyce i terapii” Katedra i Zakład Histologii i Embriologii, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, 2014

[2] Thomas R. Cech, Joan A. Steitz, „The Noncoding RNA Revolution—Trashing Old Rules to Forge New Ones” Cell Volume 157, Issue 1, Pages 77-94, 27 March 2014

[3] Nils G. Walter, David R. Engelke, „Ribozymes: Catalytic RNAs that cut things, make things, and do odd and useful jobs” Biologist (London) 2002 Oct; 49(5):199-203.

[4] Bajrami E., Spiroski M., „Genomic imprinting” Open Access Maced J Med Sci.; 4(1): 181–184 2016

[5] Souckova K., Ivkovic T. C., Slaby O., „Non-coding RNA therapy in cancer” Precision Medicine for Investigators, Practitioners and Providers, Pages 211-220, 2020

 

Podziel się: