Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Świat RNA – koniec ery Watson’a i Crick’a
Świat RNA – koniec ery Watson’a i Crick’a
Odkrycia ostatniej dekady i pojawiające się codziennie nowe doniesienia pokazują, że dogmaty, na których oparły się współczesne nauki o życiu, są jedynie dużym uproszczeniem, niedopowiedzeniem, wierzchołkiem góry lodowej. Świat RNA – czyli głównego gracza w historii powstania życia na Ziemi – wcale nie ustąpił pierwszeństwa DNA i białkom, sprowadzając się do roli posłańca, lecz ewoluował do niewyobrażalnych rozmiarów. To RNA okazuje się pełnić niezliczone funkcje regulatorowe w komórkach żywych. Wygląda na to, że era Watson’a i Crick’a dobiega końca, by powitać nowy rozdział biologii molekularnej.

 

mRNA, tRNA, rRNA – święta trójca, o której większość z nas uczuła się w szkole. Pełnione przez nie funkcje, choć kluczowe dla życia, nie były szczególnie wysublimowane: posłaniec, kurier i rusztowanie. To DNA był cząsteczką doskonałą, komórkowym omnibusem, powiernikiem informacji o białkach, na których z kolei opierała się cała struktura i funkcjonowanie komórki. Z czasem zaczęliśmy odkrywać, że połacie DNA „niekodującego” (należy uściślić, że chodzi o białka) nie są jednak regionami „śmieciowymi” – to tam znajdowały się regiony promotorowe, regulatorowe, miejsca przyłączenia białek itp. Takie wytłumaczenie mogło być na pewien czas satysfakcjonujące. Z czasem też spostrzegliśmy, że ilość otwartych ramek odczytu w ogóle nie pokrywa się z ilością zidentyfikowanych do tej pory białek, których w komórce jest o wiele więcej. Z odpowiedzią przyszło zjawisko edycji RNA złożonego z użytecznych egzonów i „niekodujących” intronów. Po usunięciu wypełniaczy i rearanżacji egzonów w wielu dostępnych kombinacjach, w rezultacie otrzymujemy należytą różnorodność białek i ich izoform.

A co z pozostałymi formami RNA w świecie żywym? Weźmy chociażby syntezę nici opóźnionej w procesie replikacji DNA, gdzie tworzenie każdego fragmentu Okazaki rozpoczyna się od krótkiego startera RNA. Tak samo telomery – wydłużanie krańcowych fragmentów DNA w chromosomach odbywa się na matrycy RNA wchodzącej w skład kompleksu telomerazy. I co z RNA wirusami? To wszystko na pewno relikty przeszłości, które były na tyle użyteczne, że natura z nich nie zrezygnowała. Echo pradawnego świata, w którym RNA posiadał zdolność samoreplikacji i pełnił funkcje katalityczne. Gdyby się głębiej zastanowić, to teraz również istnieją rybozymy, czyli RNA pełniące funkcje enzymów. Chociażby rRNA, który okazuje się jednak wcale nie być rusztowaniem dla białek rybosomalnych, ale sam pełni funkcje katalityczne w syntezie łańcucha polipeptydowego. W świetle ostatnich badań, dowiadujemy się również o innych rybozymach, jak RNaza P procesująca niedojrzały tRNA do jego aktywnej formy. Dotarły do nas również informacje o tym, że za wspomnianą edycję RNA, czyli wycinanie intronów, także odpowiadają rybozymy. A zjawisko wyciszania ekspresji, w którym krótkie fragmenty RNA (microRNA) łączą się z komplementarnymi regionami mRNA i kierują je do degradacji? Kto to słyszał, żeby RNA dokonywało obróbki samego siebie! Chwileczkę… Czy to może być prawda? Czy to możliwe, że tak bardzo się pomyliliśmy?

 

Jeden, dwa, trzy... mnóstwo

Biorąc do ręki artykuły przeglądowe próbujące usystematyzować zgromadzoną wiedzę na temat regulatorowych RNA, znaleźć można trzystronicowe tabele zawierające ponad 50 rodzajów cząsteczek RNA. Funkcjonalne rybozymy obalają z hukiem teorię mówiącą, że funkcje katalityczne pełnią jedynie białka. Wgłębiając się w procesy edycji RNA, okazuje się, że jest to proces niezwykle skomplikowany, w którym introny usunięte w pierwszym etapie, nie są genetycznymi odpadami, ale mogą służyć jako egzony w kolejnym etapie obróbki, zwanym alternatywnym splicingiem. Swoje „drugie życie” introny pełnią często jako snoRNA (małe jądrowe RNA) uczestniczące w katalitycznej obróbce niedojrzałych form rRNA. Tworząc z białkami formy rybonukleoprotein (RNP), RNA może pełnić zarówno funkcje katalityczne, jak i stanowić niezwykle plastyczne rusztowanie dla tworzonych kompleksów białkowych. Wspomniane zjawisko wyciszania ekspresji przez miRNA także dyskredytuje białka jako jedyne czynniki modulujące ekspresję genów, pokazując niesamowitą zdolność RNA do samodzielnej autoregulacji. RNA regulatorowe to nie tylko krótkie fragmenty. Olbrzymia część ludzkiego genomu, uważana wcześniej za genetyczne śmieci, koduje autonomicznie transkrybowane długie niekodujące RNA (lncRNA) pełniące szereg rozmaitych funkcji, odpowiadających między innymi za zróżnicowanie tkanek. Regulacja ekspresji przez RNA nie odbywa się jedynie na etapie potranksrypcyjnym. Uczestniczy on także w modyfikacji chromatyny (na przykład histonów), przez co wpływa na dostępność polimerazy do określonych fragmentów DNA. Specyficzny lncRNA o długości 17 tys. nt, tak zwany Xist (ang. X-inactive-specific transcript) otacza jeden z dwóch chromosomów X u kobiet powodując jego „uśpienie” na drodze modyfikacji histonów i stabilizacji nieaktywnej euchromatyny, zapobiegając w ten sposób ekspresji podwójnego zestawu genów. U mężczyzn z kolei, tak zwany piRNA (ang. PIWI-associated RNA) wycisza ekspresję sekwencji transpozonowych w męskiej linii zarodkowej. RNA okazuje się jednak wpływać nie tylko na ekspresję genów, ale także bezpośrednio oddziałuje z DNA modyfikując jego strukturę. eRNA, czyli RNA wzmagające ekspresję, uczestniczą w tworzeniu pętli DNA łączących regiony promotorowe z odległymi regionami wzmagającymi ekspresję konkretnych genów. Proces ten do tej pory łączono jedynie z aktywnością czynników transkrypcyjnych i białkowego kompleksu Mediator. U pierwotniaka Oxytricha około 95 % DNA w swojej pierwotnej formie jest eliminowane i rearanżowane na drodze rozwoju zarodkowego – wszystko za sprawą regulatorowych RNA rozpoznających określone fragmenty DNA. Rozpowszechniony w świecie Prokaryota system CRISPR to określone fragmenty DNA zawierające ślady minionych infekcji fagowych i obcych plazmidów. Przy ponownych ataku, bakteryjny RNA transkrybowany z tych fragmentów rozpoznaje DNA intruza i angażuje czynniki degradujące obcy materiał.

Historia dzieje się teraz

To tylko niektóre z niemal niewyobrażalnej liczby funkcji przypisywanych nowo odkrytym RNA. Obfitość danych i ogromne zróżnicowanie cząsteczek regulatorowych może przyprawić o zawrót głowy. Świat RNA to nie historia, lecz teraźniejszość, która pozostała przez nas niezauważona, mimo pytań stawianych na przestrzeni lat przez genetyków i biologów molekularnych. Regulatorowe RNA odgrywają kluczowe role na każdym etapie ekspresji genów i funkcjonowania komórki, od modyfikacji DNA, poprzez modyfikację transkryptu i modulowanie procesu translacji, aż po oddziaływanie z białkami, ich modyfikacje i funkcje strukturalne. RNA okazuje się pociągać za sznurki także u organizmów prokariotycznych, o których funkcjonowaniu - jako najmniej skomplikowanych - myśleliśmy, że wiemy już wszystko. System CRISPR, jako jeden z wielu, jest obecnie obiektem intensywnych badań pod kątem jego wykorzystania w inżynierii genetycznej do modyfikacji określonych sekwencji docelowych. Działanie regulatorowych RNA w czasie infekcji wirusowych oraz w stanach patologicznych otwiera niczym nieograniczone pole do poszukiwań nowych markerów diagnostycznych. Stawia to w zupełnie nowym świetle nie tylko diagnostykę chorób rozwojowych, przewlekłych czy nowotworowych, ale także każe ponownie zastanowić się nad metodologią medycyny spersonalizowanej i terapii celowanych, w których do gry wchodzi nowy, być może najważniejszy gracz – wszechobecny RNA.

KOMENTARZE
Newsletter