Istraživači iz Centra za genomsku regulaciju (CRG) u Barseloni napravili su prvi nacrt ljudskog spliceosoma, najsloženije i najsloženije molekularne mašine unutar svake ćelije. Naučni podvig, za koji je trebalo više od decenije, objavljen je u časopisu Nauka.
Spliceozom uređuje genetske poruke transkribovane iz DNK, omogućavajući ćelijama da stvore različite verzije proteina iz jednog gena. Ogromnu većinu ljudskih gena — više od devet od 10 — uređuju spliceosomi. Greške u procesu su povezane sa širokim spektrom bolesti uključujući većinu vrsta raka, neurodegenerativna stanja i genetske poremećaje.
Sam broj uključenih komponenti i zamršenost njegove funkcije znači da je spliceozom ostao nedostižna i neistražena teritorija u ljudskoj biologiji – do sada.
Nacrt otkriva da su pojedinačne komponente spliceosoma daleko specijalizovanije nego što se ranije mislilo. Mnoge od ovih komponenti ranije nisu razmatrane za razvoj lekova jer su njihove specijalizovane funkcije bile nepoznate. Ovo otkriće može otključati nove tretmane koji su efikasniji i imaju manje neželjenih efekata.
„Sloj složenosti koji smo otkrili nije ništa drugo do zapanjujući. Nekada smo konceptualizovali spliceozom kao monotonu, ali važnu mašinu za sečenje i lepljenje,“ kaže ICREA istraživački profesor Huan Valkarcel, vodeći autor studije i istraživač u CRG.
„Sada ga vidimo kao kolekciju mnogih različitih fleksibilnih dleta koja omogućavaju ćelijama da oblikuju genetske poruke sa stepenom preciznosti dostojnim velemajstora koji vajaju mermer iz antike. Znajući tačno šta svaki deo radi, možemo pronaći potpuno nove uglove da se uhvatimo u koštac sa širok spektar bolesti“.
Svaka ćelija u ljudskom telu se oslanja na precizna uputstva iz DNK da bi pravilno funkcionisala. Ova uputstva se transkribuju u RNK, koja se zatim podvrgava ključnom procesu uređivanja koji se zove spajanje. Tokom spajanja, nekodirajući segmenti RNK se uklanjaju, a preostale kodirajuće sekvence se spajaju da bi se formirao šablon ili recept za proizvodnju proteina.
Dok ljudi imaju oko 20.000 gena koji kodiraju proteine, spajanje omogućava proizvodnju najmanje pet puta više proteina, a neke procene sugerišu da ljudi mogu stvoriti više od 100.000 jedinstvenih proteina.
Spliceosom je kolekcija od 150 različitih proteina i pet malih RNK molekula koji orkestriraju proces uređivanja, ali do sada specifične uloge njegovih brojnih komponenti nisu bile u potpunosti shvaćene.
Tim u CRG-u je izmenio ekspresiju 305 gena povezanih sa spliceosomom u ljudskim ćelijama raka jedan po jedan, posmatrajući efekte na spajanje u celom genomu.
Njihov rad je otkrio da različite komponente spliceosoma imaju jedinstvene regulatorne funkcije. Ono što je najvažnije, otkrili su da proteini unutar jezgra spliceosoma nisu samo radnici za podršku, već umesto toga imaju visoko specijalizovane poslove u određivanju načina na koji se genetske poruke obrađuju, i na kraju, utiču na raznolikost ljudskih proteina.
Na primer, jedna komponenta bira koji RNK segment se uklanja. Druga komponenta obezbeđuje da se rezovi naprave na pravom mestu u RNK sekvenci, dok se druga ponaša kao pratilac ili čuvar, sprečavajući druge komponente da deluju prerano i unište šablon pre nego što se završi.
Autori studije upoređuju svoje otkriće sa užurbanom postprodukcijom na filmu ili televiziji, gde se genetske poruke transkribovane iz DNK sastavljaju kao sirovi snimci.
„Imate mnogo desetina urednika koji prolaze kroz materijal i donose brze odluke o tome da li će scena biti konačna. To je zadivljujući nivo molekularne specijalizacije na skali velikih holivudskih produkcija, ali postoji neočekivani preokret. Bilo ko od saradnika može da uđe, preuzme kontrolu i diktira režiju, a ne da se produkcija raspadne, ova dinamika rezultira drugačijom verzijom filma koji nismo predvideli“, kaže dr Malgoržata Rogalska. -dopisni autor studije.
Jedan od najznačajnijih nalaza u studiji je da je spliceosom visoko međusobno povezan, pri čemu narušavanje jedne komponente može imati široko rasprostranjene efekte talasanja u celoj mreži.
Na primer, studija je manipulisala komponentom spliceosoma SF3B1, za koju se zna da je mutirana u mnogim vrstama raka, uključujući melanom, leukemiju i rak dojke. Takođe je meta za lekove protiv raka, iako su tačni mehanizmi delovanja bili nejasni – do sada.
Studija je otkrila da promena ekspresije SF3B1 u ćelijama raka pokreće kaskadu događaja koji su uticali na trećinu celokupne ćelijske mreže spajanja, izazivajući lančanu reakciju neuspeha koji nadmašuju sposobnost ćelije da podstiče rast.
Ovo otkriće obećava jer tradicionalne terapije, na primer one koje ciljaju mutacije u DNK, često uzrokuju da ćelije raka postanu otporne. Jedan od načina na koji se karcinomi prilagođavaju je ponovno ožičenje njihovih mašina za spajanje. Ciljano spajanje može gurnuti bolesne ćelije preko tačke preokreta koja se ne može nadoknaditi, što dovodi do njihovog samouništenja.
„Ćelije raka imaju toliko izmena na spliceosomu da su već na granici onoga što je biološki prihvatljivo. Njihovo oslanjanje na visoko međusobno povezanu mrežu spajanja je potencijalna Ahilova peta koju možemo da iskoristimo za dizajniranje novih terapija, a naš plan nudi način otkrivanja ovih ranjivosti“, kaže dr Valkarcel.
„Ovo pionirsko istraživanje osvetljava složenu interakciju između komponenti spliceosoma, otkrivajući uvid u njegove mehaničke i regulatorne funkcije. Ovi nalazi ne samo da unapređuju naše razumevanje funkcije spliceosoma, već i otvaraju potencijalne mogućnosti za ciljanu obradu RNK za terapeutske intervencije kod bolesti povezanih sa spajanjem. disregulacija“, kaže Dom Reinolds, CSO u Remik Therapeutics, kompaniji za biotehnološku kliničku fazu u Masačusetsu koja je sarađivala sa CRG-om na studiji.
Osim raka, postoje mnoge druge bolesti uzrokovane neispravnim molekulima RNK nastalim greškama u spajanju. Sa detaljnom mapom spliceosoma, koju su autori studije učinili javno dostupnim, istraživači sada mogu pomoći da se tačno utvrdi gde se greške spajanja javljaju u ćelijama pacijenta.
„Želeli smo da ovo bude dragocen resurs za istraživačku zajednicu“, kaže dr Valkarcel.
„Lekovi koji ispravljaju greške u spajanju su revolucionirali lečenje retkih poremećaja kao što je spinalna mišićna atrofija. Ovaj plan može proširiti taj uspeh na druge bolesti i dovesti ove tretmane u mejnstrim“, dodaje on.
„Trenutni tretmani spajanja su fokusirani na retke bolesti, ali oni su samo vrh ledenog brega. Krećemo se u eru u kojoj možemo da se bavimo bolestima na transkripcionom nivou, stvarajući lekove koji modifikuju bolest, a ne samo rešavanje simptoma. Razvio je put za potpuno nove terapijske pristupe, samo je pitanje vremena“, zaključuje dr Rogalska.
