MikroRNA – szara eminencja genomu
W tym roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny przyznano Victorowi Ambrosowi i Gary’emu Ruvkunowi za odkrycie mikroRNA oraz jego kluczowej roli w regulacji genów w organizmach wielokomórkowych, w tym u ludzi. Jakie znaczenie ta cząsteczka może mieć w medycynie? Wyjaśnia to prof. Paweł Włodarski, kierownik Katedry i Zakładu Histologii i Embriologii Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego.
Co to jest właściwie mikroRNA?
MikroRNA to klasa RNA o bardzo małej wielkości. Cząsteczki dojrzałego mikroRNA, które nazywa się też miR-ami, są bardzo krótkie – zaledwie 22-nukleotydowe. MikroRNA mogą wiązać się z innymi cząsteczkami RNA, które są matrycą do produkcji białka (stąd nazwa – matrycowe RNA, w skrócie – mRNA). Wzajemne wiązanie się obu rodzajów RNA zależy od sekwencji tych cząsteczek, przez co oddziaływanie jest specyficzne i ogranicza się tylko dla określonych kombinacji mikroRNA – mRNA. Gdy dojdzie do związania się mikroRNA z mRNA, następuje zahamowanie wytwarzania białka kodowanego przez mRNA.
Nobliści dokonali swojego odkrycia w 1993 r. Wcześniej, w latach 80., opisano mechanizmy kontroli transkrypcji, czyli procesu odczytywania informacji genetycznej – przepisywania jej z DNA na mRNA. Identyfikowano kolejne białka, zwane czynnikami transkrypcyjnymi, które wiążąc się z sekwencjami regulatorowymi genów, aktywowały bądź hamowały transkrypcję.
W czasach, gdy większość badań dotyczących regulacji ekspresji genów była skierowana na poszukiwanie kolejnych mechanizmów kontroli transkrypcji, Victor Ambros i Gary Ruvkunow opisali nowy i zaskakujący sposób, w jaki komórki mogą regulować wytwarzanie białek. Niespodzianką było między innymi to, gdzie zakodowane są sekwencje mikroRNA. Tylko niewielka część naszego DNA zawiera informację o budowie białek. Tymczasem ogromne obszary naszego DNA nie zawierają „przepisu” na białka. O funkcji tych niekodujących obszarów wiadomo było wtedy mało i niewielu badaczy się nimi interesowało, a stanowią one aż 90 proc. naszego DNA. Zidentyfikowanie genów kodujących mikroRNA – które są ulokowane właśnie w tych „niepotrzebnych” rejonach DNA – pokazało, jak wiele jest jeszcze do odkrycia.
Jak doszło do tego, że nobliści odkryli mikroRNA? Przypadek?
Victor Ambros i Gary Ruvkun badali funkcje genów. Prowadzili badania na Caenorhabditis elegans, żyjącym w glebie, pospolitym, mierzącym około milimetra nicieniu, który żywi się bakteriami. Mimo niewielkich rozmiarów C. elegans posiada wiele wyspecjalizowanych typów komórek (np. nerwowych i mięśniowych), obecnych również u bardziej złożonych zwierząt. Nicień ten okazał się bardzo dobrym modelem do badań m.in. z tego powodu że jest przezierny – w związku z tym bardzo dokładnie widać rozwój każdego jego organu. Ponadto bardzo szybko się rozwija – potrzeba niecałych trzech dni, żeby przeszedł rozwój od embrionu do dojrzałego osobnika, który składa jajka. Na takim organizmie łatwo jest badać funkcje genów, których wyłączenie daje efekt widoczny już po kilku dniach, a nie po tygodniach czy miesiącach, jak przy pracy z innymi modelami doświadczalnymi.
Zatem Ambros i Ruvkun, badając u C. elegans mutacje genów odpowiedzialnych za kontrolę rozwoju narządów robaka, zidentyfikowali dwa geny, które współdziałały ze sobą w ten sposób, że jeden hamował działanie drugiego. Przy czym nie było wiadomo, w jaki sposób to się dzieje. Naukowcy zaczęli dokładniej badać to zjawisko i odkryli że jeden z genów (lin-4) koduje nie białko, lecz RNA (dziś już powiedzielibyśmy – mikroRNA), które rozpoznaje mRNA kodowane przez drugi gen (lin-14), przyłącza się do niego i hamuje jego działanie. Początkowo podejrzewano, że jest to mechanizm unikalny dla nicieni, wkrótce jednak okazało się, że jest on obecny także w naszych ludzkich komórkach.
Jaką rolę to mikroRNA pełni w komórce?
Ekspresja genów to proces wieloetapowy: z DNA w procesie transkrypcji powstaje mRNA, na bazie którego w procesie translacji wytwarzane jest białko. MikroRNA, wiążąc się z mRNA, zaburza proces translacji, przez co wpływa na to, ile białka powstanie. Zatem kontroluje poziom ekspresji genów na późniejszym etapie, niż to czynią wspomniane już czynniki transkrypcyjne. Ocenia się, że 60 proc. naszych genów produkujących białka podlega kontroli cząsteczek mikroRNA.
Nobliści dokonali swojego odkrycia 30 lat temu i mówi się, że ich praca otworzyła nową erę w biologii molekularnej. Czy tak jest w istocie?
Ich odkrycie rzeczywiście rozpoczęło boom poszukiwań mikroRNA. Od tamtej pory naukowcy wykazali tysiące powiązań mikroRNA z procesami biologicznymi. Natomiast co do samego znaczenia odkrycia dokonanego przez Ambrosa i Ruvkuna – to przesadą byłoby nazwać je epokowym. Jest ono jednak niezwykle ważnym dla zrozumienia, jak złożone są procesy regulujące wzorce ekspresji genów, czyli to, które spośród 30 000 genów, jakie zawiera każda komórka, są w niej aktywne i produkują białka, a które nie. Warto pamiętać, że już po zakończeniu syntezy białek są one dalej modyfikowane – co wpływa na ich funkcję. Oznacza to, że proces regulacji ilości i aktywności produkowanych białek jest bardzo złożony, wielopoziomowy.
Na skomplikowany mechanizm regulacji produkcji białek na poziomie transkrypcji nakłada się wpływ mikroRNA. Trzeba jeszcze dodać, że każde mRNA, może być obiektem oddziaływania kilku mikroRNA, a każde mikroRNA oddziałuje na kilka albo kilkadziesiąt różnych mRNA. Czyli wytworzone mikroRNA nie działa na jeden, konkretny gen docelowy, lecz wpływa na grupy genów zawierających odpowiednią sekwencję. Regulacja ekspresji genów przy udziale mikroRNA to koncert na wiele smyczków.
Na jakim etapie poznawania mikroRNA i mechanizmu jego działania obecnie jesteśmy?
Mechanizm działania jest już dobrze poznany. MikroRNA jest wieloetapowo modyfikowane, aż – w kompleksie z białkiem – przyłącza się do właściwego mRNA, wpływając na jego dalszą ekspresję. Natomiast to, co nastąpiło po odkryciu, jakiego dokonali nobliści, to była masowa fala poszukiwań nowych cząsteczek mikroRNA. Ponieważ znamy sekwencję ludzkiego DNA, można było za pomocą odpowiednich algorytmów matematycznych wytypować obszary kodujące mikroRNA. Na podstawie ich sekwencji nukleotydowej można też przewidzieć, na które geny będą oddziaływać. Badania, które obecnie są publikowane, dotyczą głównie walidacji tych przewidywań oraz opisują rolę tego zjawiska w przebiegu wielu chorób. Wyniki niekiedy bardzo jednoznaczne pokazują powiązanie pomiędzy chorobą a obecnością danych mikroRNA w tkankach lub płynach ustrojowych.
Czy to oznacza, że mikroRNA już jest wykorzystywane w diagnostyce?
Rzeczywiście, dostępne są już testy diagnostyczne wykorzystujące badanie mikroRNA. Na liście chorób, których diagnozę można wspomagać tą metodą, są między innymi rak tarczycy i rak trzustki. Za pomocą takiego testu można np. stwierdzić, czy guz jest potencjalnie złośliwy, czy nie.
Są też oferowane zestawy diagnostyczne, które pozwalają wskazać, z jakiej tkanki wywodzi się choroba, w przypadkach gdy jest to szczególnie trudne do ustalenia.
Należy jednak podkreślić, że diagnoza chorób jest zawsze oparta na wynikach wielu badań, których przydatność jest dobrze udokumentowana. Testy wykorzystujące badanie mikroRNA są obecnie tylko narzędziem wspomagającym.
A czy wiedza o mikroRNA może się przełożyć na nowe metody leczenia?
MikroRNA to cząsteczki, które są produktami naszych genów. Natomiast w terapii stosuje się leki, które przypominają mikroRNA – albo mają działanie takie samo jak normalne mikroRNA, albo przeciwne (hamują działanie mikroRNA). Pomimo wielkich nadziei leczenie tymi cząsteczkami okazało się bardzo trudne i do dziś żaden z tych leków nie został zarejestrowany, choć kilka jest w próbach klinicznych. Były niestety przypadki, że badania zostały przerwane ze względu na poważne działania niepożądane.
Terapia z wykorzystaniem mikroRNA jest bardzo trudna, gdyż te leki są mało selektywne. Ograniczeniem jest droga podania i naturalne bariery, które chronią nasze komórki przed przyjmowaniem krążących we krwi mikroRNA. Lek podany dożylnie dociera do wszystkich narządów, choć chcielibyśmy, żeby trafiał tylko do ogniska choroby i tylko tam działał. Niestety tak się nie dzieje.
Oznacza to, że lek hamuje nie tylko komórki chore, ale również i te zdrowe. O tym, jak ogromny to problem, świadczy przebieg jednego z badań klinicznych. Dotyczyło ono terapii skierowanej przeciwko guzom litym z wykorzystaniem syntetycznego mikroRNA 34a. W trakcie badania okazało się, że ten sam mikroRNA 34a, który pomaga zniszczyć guz, jest groźny dla komórek układu limfatycznego. Lek rzeczywiście niszczył komórki nowotworowe, ale docierał także do śledziony i szpiku – poważnie uszkadzając te narządy.
Skoro jeszcze nie w leczeniu nowotworów, to w przypadku jakich chorób mikroRNA może mieć zastosowanie terapeutyczne?
Bardzo obiecujące są wyniki badań w leczeniu wirusowego zapalenia wątroby typu C antagonistą mikroRNA 122. W tym przypadku lek podany do naczyń trafia do wątroby, czyli dokładnie do tego organu, który jest zajęty przez chorobę, hamując replikację wirusa. Terapia ta jest już w drugiej fazie badań klinicznych i ma duże szanse na zarejestrowanie.
Podsumowując, stan na dziś jest taki, że terapie z wykorzystaniem mikroRNA niosą za sobą duże ryzyko powikłań. Ogromny entuzjazm z nimi związany na razie nie ma potwierdzenia w badaniach klinicznych, ale to nie oznacza, że ten stan rzeczy nie może zmienić się w przyszłości.
Przeczytaj także: „Nie każdy jest Rolling Stonesem, ale prawie każdego można wyleczyć z WZW typu C”.
