Cercetătorii de la Harvard identifică un nou sistem de reglementare a genelor la mamifere
Cercetătorii de la Harvard Medical School au descoperit că instrucțiunile din diferite gene, chiar și de pe cromozomi diferiți, pot combina pentru a crea mARN-uri chimere care produc proteine funcționale necunoscute anterior.
Studiul, publicat pe 2 septembrie în Nature, sugerează că există potențial mii de proteine chimere noi, unele având roluri importante în organism.
„Nimeni nu știe că acestea există. Medicina nu știe că există, industria farmaceutică nu știe că există. Am descoperit un întreg nou sistem de reglementare a genelor care ar putea extinde dramatic genomul și proteomul cunoscut”, a declarat Ruaidhrí Jackson.
Deși cercetătorii nu știu încă cât de răspândit este acest fenomen, proteinele chimere ar putea fi implicate în diverse sisteme și ar putea contribui la procesele bolilor care sunt în prezent prost înțelese. Această latură neglijată a biologiei ar putea oferi noi perspective asupra bolilor dificile și o nouă cale pentru găsirea țintelor terapeutice.
„Există brusc multe noi posibilități pentru tipurile de molecule și proteine pe care celulele le pot crea”, a adăugat Harry Kane. „Dacă este posibil să valorificăm mARN-urile chimere pentru descoperirea de medicamente și medicină, atunci acest lucru este foarte interesant.”
Studiul a identificat o „bibliotecă a genomului întunecat”. Deși unele organisme unicelulare și nevertebrate, cum ar fi tripanozoarele și nematozoii, pot combina gene în scopuri de reglementare, aceste sisteme nu par să creeze proteine și nu au fost găsite la mamifere. Exemplele celebre de mARN chimere la oameni provin din anomalii care cauzează cancer, unde ADN-ul se rupe în fragmente și unele gene dispersate se fuzionează.
Rezultatele secvențierii ARN-ului au sugerat ocazional că mARN-uri chimere ar putea exista în țesuturi sănătoase, dar tehnicile tradiționale de secvențiere au avut dificultăți în a le găsi și pot fi chiar responsabile pentru crearea artificială a acestora.
„Acest proiect a fost de risc ridicat și recompensă mare de la început”, a explicat coautoarea Olivia Venezia. „Nu știam câte mARN-uri chimere vom găsi sau dacă acestea vor fi relevante biologic.”
Folosind o nouă tehnologie numită secvențiere directă a ARN-ului, cercetătorii au compilat o listă de peste 30.000 de mARN-uri chimere observate cel puțin o dată în celulele mamiferelor, denumită de Jackson „biblioteca genomului întunecat”. Până acum, au reușit să profileze aproape 400 dintre acestea, reglementate de semnale inflamatorii, inclusiv mARN-uri chimere conservate atât în celulele imune umane, cât și în cele ale șoarecilor.
De asemenea, echipa a descoperit că cromozomii sănătoși se pot îndoi împreună în celulele de șoareci ca parte a răspunsului imunitar, aducând genele de obicei îndepărtate în apropiere. Genele adiacente transcriu un mARN chimera, combinând secvențele fiecărei gene și producând o proteină hibrid.
„Credeam că avem un plan detaliat pentru fiecare mARN care se formează în corp și acum spunem că aceasta era doar prima pagină”, a menționat Jackson. „Există toate aceste alte combinații care pot apărea.”
Totuși, existența mARN-ului chimera nu înseamnă neapărat că produce proteine funcționale sau că joacă un rol semnificativ în organism.
Pentru a determina dacă un mARN chimera ar putea avea o funcție biologică în mamifere, Jackson și echipa sa au investigat o combinație găsită în șoareci: combinația genelor care codifică GSDMD și TMEM106A. Proteina creată de GSDMD singur este responsabilă pentru deschiderea membranelor celulare în timpul pyroptozei, un proces prin care celulele imune explodează pentru a genera un răspuns inflamator mare.
Mai întâi, echipa a confirmat că proteina chimera, GSDMD-TMEM106A, apărea natural în șoareci. Aceasta a fost produsă ca parte a răspunsului imunitar în celule din două tulpini diferite de șoareci de laborator, precum și dintr-o tulpină sălbatică.
Apoi, cercetătorii au dezvoltat un instrument genetic pentru a opri producția proteinei chimera fără a interfera cu producția și funcția proteinelor standard GSDMD și TMEM106A.
Au descoperit că șoarecii fără proteina chimera aveau un răspuns imunitar mai lent decât șoarecii normali. Când șoarecii au fost infectați cu Salmonella, au fost mai puțin capabili să lupte împotriva bacteriilor.
„Ei nu pot controla infecția bacteriană”, a spus Jackson. „Aproape 50% din procesul imunitar a fost redus fără proteina chimera, chiar dacă GSDMD normal era încă prezent. GSDMD are nevoie de GSDMD-TMEM106A pentru a funcționa complet.”
Cercetătorii au testat, de asemenea, șoarecii cu o endotoxină care provoacă sepsis – un răspuns imunitar extrem care poate fi mortal. 70% dintre șoarecii fără proteina chimera au supraviețuit și s-au recuperat dintr-o doză care ar fi fost de obicei letală, deoarece răspunsul lor imunitar a fost mai blând decât normal.
Echipa a colaborat cu compania de biotehnologie Moderna pentru a crea un mARN care să stimuleze producția de GSDMD-TMEM106A în șoareci. Șoarecii cu niveluri ridicate de chimera nu au supraviețuit nici măcar unei doze ușoare de endotoxină.
Cu toate acestea, șoarecii care nu aveau gena GSDMD și aveau de asemenea niveluri ridicate de chimera (datorită mARN-ului inginerizat) nu au avut nicio reacție la endotoxină. Acest lucru a demonstrat că, deși GSDMD-TMEM106A accelerează semnificativ procesul de pyroptoză, nu poate deschide membranele celulare fără GSDMD.
Aceste constatări au confirmat că proteina chimera este esențială pentru răspunsul inflamator la șoareci.
„GSDMD-TMEM106A a fost descoperit inițial pe baza unei singure citiri din unul dintre eșantioanele noastre. Ne pregăteam să ne așteptăm ca acest lucru să se dovedească a fi nimic”, a spus Kane. „A fost foarte palpitant când am descoperit că GSDMD-TMEM106A nu era doar o proteină reală, ci și funcțională – putea modula eliberarea moleculelor inflamatorii din celule.”
Cercetătorii continuă să exploreze mARN-urile chimere pentru a înțelege mai bine semnalele moleculare din spatele formării acestora – de ce cele două secvențe parțiale de gene sunt întotdeauna conectate în același punct, de ce proteinele chimere au anumite forme și ce declanșează cromozomii să aducă gene specifice împreună.
Ei sunt, însă, cel mai entuziasmați de evaluarea unei varietăți de mARN-uri chimere pentru potențiale utilizări în medicină.
„Vrem să aflăm care dintre acestea sunt operative în boli care nu pot fi tratate în prezent”, a declarat Jackson.
