Ryboprzełączniki – budowa i mechanizm działania

Typowa cząsteczka mRNA (messenger RNA) składa się nie tylko z sekwencji tłumaczonej na białko, ale także z odcinka nukleotydów na końcu 5’ i 3’, który nie ulega translacji. Zdarza się, że nieulegająca translacji sekwencja matrycowego RNA ma zdolność oddziaływania z inną małą cząsteczką organiczną (metabolitem) i w wyniku tego odziaływania reguluje poziom ekspresji danego genu. Wówczas mówimy o ryboprzełączniku (ang. riboswitch), czyli fragmencie mRNA modulującym poziom ekspresji genu w odpowiedzi na zmieniające się stężenie metabolitu. Każdy ryboprzełącznik składa się z dwóch elementów – aptameru i platformy ekspresyjnej. Metabolit specyficzny dla danego ryboprzełącznika wiąże się z sekwencją aptameru, co skutkuje zmianami w platformie ekspresyjnej, prowadzącymi do włączenia lub wyłączenia produkcji określonego białka. Wśród mechanizmów wykorzystywanych przez ryboprzełączniki wyróżniamy m.in. zahamowanie transkrypcji lub translacji a także samo-rozcinanie się cząsteczki mRNA prowadzące do jej degradacji czy wymuszony proces splicingu.

Cząsteczka mRNA zawierająca sekwencję będącą ryboprzełącznikiem w rejonie nieulegającym translacji na 5’-końcu oraz mechanizm działania ryboprzełączników poprzez zahamowanie transkrypcji (A) lub translacji (B).

Ryboprzełączniki klasyfikuje się ze względu na ich strukturę drugorzędową oraz rodzaj rozpoznawanego metabolitu. Jak dotąd zidentyfikowano już ponad 20 różnych grup tych cząsteczek. W większości ich ligandami są małe cząsteczki organiczne, takie jak witaminy (pirofosforan tiaminy, kobalamina), aminokwasy (lizyna, glicyna), nukleotydy (guanina, adenina), donory grupy metylowej (S-adenozylometionina), kofaktory białek (mononukleotyd flawinowy, kofaktor molibdenowy) czy przekaźniki sygnału (c-di-GMP, c-di-AMP). Oprócz tego znane są też ryboprzełączniki rozpoznające jony metali (np. magnez), niewielkie peptydy lub cząsteczki tRNA. Zjawisko takiego mechanizmu regulacji ekspresji genów przez RNA popularne jest głównie u bakterii, ale pojedyncze klasy ryboprzełączników występują również u roślin i grzybów. Udało się również zidentyfikować dwa przykłady ryboprzełączników u ludzi.

Przełączniki RNA u ludzi

Jeden z nich występuje w mRNA kodującym czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF), białka niezbędnego w procesie prawidłowego formowania się naczyń krwionośnych. Ryboprzełącznik ten może wiązać dwa różne kompleksy – GAIT (inhibitor interferonu gamma) lub hnRNP L (jądrowa ryboproteina L), w zależności od występowania innych sygnałów środowiskowych wskazujących na stan zapalny i niedotlenienie. Drugim przykładem jest przełącznik RNA biorący udział w regulacji poziomu czynnika TNF-α (ang. tumor necrosis factor) poprzez sekwencję w obrębie 3’-UTR wiążącą 2-aminopurynę. Postuluje się, że mechanizm ten jest aktywny podczas infekcji wirusowej.

Identyfikacja nowych ryboprzełączników

Sekwencje RNA będące kandydatami na ryboprzełączniki wyszukuje się głównie za pomocą narzędzi bioinformatycznych, porównując homologiczne fragmenty spokrewnionych genów z różnych organizmów. Jeśli uda się zidentyfikować sekwencję silnie konserwatywną, a w dodatku sekwencja ta wykazuje złożoną strukturę drugo- i trzeciorzędową, istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że działa ona jak ryboprzełącznik. Fakt ten należy następnie potwierdzić eksperymentalnie, np. poprzez obserwację wzrostu kolonii bakterii w obecności i przy braku określonego metabolitu. Największym wyzwaniem jest w tym przypadku prawidłowa identyfikacja ligandu (metabolitu), rozpoznawanego przez dany przełącznik. Mówiąc o odkrywaniu nowych ryboprzełączników nie sposób nie wymienić Ronalda R. Breaker’a, profesora biologii molekularnej na Uniwersytecie Yale, który jest absolutnym przodownikiem w tej dziedzinie. Większość znanych dotąd ryboprzełączników została zidentyfikowana w jego laboratorium.  

Potencjalne kierunki rozwoju

Wiedza na temat ryboprzełączników nie tylko zaspokaja naszą ciekawość naukową, ale także, a może przede wszystkim, umożliwia rozwój nowych terapii farmakologicznych oraz projektowanie nowych narzędzi biologii molekularnej. Znajomość mechanizmów regulacji produkcji białek u bakterii, a także metabolitów będących kluczowymi elementami w tych procesach, otwiera drogę do projektowania nowych leków antybakteryjnych wycelowanych właśnie w ryboprzełączniki. Spekuluje się, że takie leki nie powinny wykazywać znaczących efektów ubocznych, ponieważ nie będą w stanie ingerować w ludzkie mRNA nie posiadające odpowiedniej sekwencji. Ponadto, wykorzystując fakt, że naturalne ryboprzełączniki rozpoznają określone cząsteczki z wysoką specyficznością i już przy bardzo niskich stężeniach, możemy tworzyć nowe narzędzia diagnostyczne (sensory). Inny kierunek badań to projektowanie ryboprzełączników sztucznych, czyli celowe łączenie sekwencji rozpoznającej wybraną cząsteczkę organiczną (nie koniecznie naturalny metabolit) z sekwencją dowolnie wybranego genu. Podając ligand z zewnątrz uzyskujemy możliwość włączania lub wyłączania tego genu w zależności od potrzeb badacza. Narzędzie takie budzi rosnące zainteresowanie wśród biologów molekularnych.

Sztuczne ryboprzełączniki

Główną zaletą sztucznych ryboprzełączników jest możliwość wykorzystania w nich aptamerów zidentyfikowanych przy pomocy selekcji in vitro, a co za tym idzie, możemy stworzyć przełącznik RNA dla praktycznie każdego pożądanego ligandu. Jak dotąd wiadomo o istnieniu ryboprzełączników sztucznych rozpoznających m.in. tetracyklinę, teofilinę, neomycynę czy analogi barwnika organicznego – zieleni malachitowej. Projektowanie ryboprzełączników odpowiadających na stężenie cząsteczki nie będącej naturalnym metabolitem pozwala na ingerencję w ekspresję określonego genu, bez zaburzania pozostałych szlaków metabolicznych w danym organizmie.

Potwierdzenie hipotezy świata RNA?

Ryboprzełączniki, zaraz obok rybozymów (enzymów RNA), mogą być kolejnym dowodem potwierdzającym istnienie świata RNA. Hipoteza świata RNA zakłada, że bardzo dawno temu życie rozpoczęło się od cząsteczek RNA, które były wówczas zarówno nośnikiem genów jak i pełniły funkcje enzymów. Istnienie ryboprzełączników potwierdza, że kontrola ekspresji genów możliwa jest również przy braku czynników białkowych (np. takich jak czynniki transkrypcyjne). Jednak jak dotąd hipoteza świata RNA ma prawdopodobnie tyle samo zwolenników co przeciwników.