Cum își protejează celulele ARN-ul mesager de aglomerare
ARN-ul mesager este cunoscut în primul rând pentru rolul său de a transporta instrucțiunile genetice de la ADN către mecanismele celulare care produc proteine. Însă toate moleculele de ARN au o proprietate mai puțin discutată: sunt în mod natural lipicioase. Atunci când ARN-ul este scos din celule și studiat în laborator, moleculele interacționează cu ușurință între ele și se pot aduna în agregate. Această observație ridică o dilemă biologică: celulele conțin mii de molecule de ARN mesager înghesuite într-un spațiu minuscul, dar ARN-ul lor nu formează în mod obișnuit agregatele mari pe care proprietățile fizice le-ar favoriza.
Comportamentul corect al ARN-ului mesager este important pentru funcționarea celulei: interacțiunile nedorite pot împiedica moleculele să fie accesibile pentru sinteza proteinelor, iar agregatele mari de ARN pot fi toxice. Cercetătorii de la Whitehead Institute au investigat modul în care celulele evită aceste situații. Studiul, condus de Ankur Jain, membru al institutului și profesor asociat de biologie la MIT, împreună cu Marco Todisco, cercetător postdoctoral în laboratorul său, a fost publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences pe 14 septembrie.
Pentru a înțelege tendința ARN-ului de a se aglomera, echipa s-a concentrat asupra bacteriei Escherichia coli, al cărei transcriptom este bine caracterizat. Todisco a dezvoltat simulări computerizate care urmăreau moleculele individuale de ARN mesager și preziceau comportamentul lor la concentrații similare celor din interiorul unei celule. Pe baza chimiei fizice a ARN-ului, simulările indicau că moleculele ar trebui să formeze agregate, cele mai lungi fiind mai predispuse la acest proces. Testele experimentale au confirmat predicția: ARN-ul purificat din celule de E. coli s-a aglomerat cu ușurință în absența proteinelor și a altor componente celulare. Secvențierea ARN-ului a identificat moleculele prezente în agregate, iar proprietățile acestora corespundeau simulărilor.
Cercetătorii au găsit o parte a răspunsului în secvențele genetice înseși. Codul genetic conține redundanță, majoritatea aminoacizilor putând fi codificați de mai multe secvențe de trei litere numite codoni. Astfel, un număr enorm de secvențe de ADN și ARN pot produce exact aceeași proteină, oferind evoluției libertatea de a alege între ele. Echipa a creat computațional versiuni alternative ale ARN-urilor mesagere din E. coli, modificând secvențele fără a schimba proteinele codificate. Comparând aceste secvențe randomizate cu cele naturale, cercetătorii au constatat că secvențele naturale erau mai puțin predispuse la interacțiuni: tindeau să se plieze pe ele însele și să evite expunerea porțiunilor lipicioase, reducând astfel șansele de a forma interacțiuni stabile și nedorite cu alte molecule de ARN.
Descoperirea nu se limitează la bacterii. Analizele secvențiale efectuate pe un set de ARN-uri mesagere umane abundente au arătat semnături similare: și secvențele naturale umane prezentau un potențial redus de agregare comparativ cu secvențe alternative. Rezultatele adaugă o nouă dimensiune dogmei centrale a biologiei moleculare, în care informația curge de la ADN la ARN și apoi la proteină. Dacă până acum secvențele genetice erau privite în principal prin prisma produsului final, proteina, noile date sugerează că evoluția trebuie să țină cont și de comportamentul fizic al intermediarului ARN.
Cu toate acestea, secvențele naturale nu reprezintă întreaga soluție. Deși sunt mai puțin predispuse la agregare, ARN-urile mesagere purificate încă se aglomerează cu ușurință. Faptul că aglomerarea extinsă nu se observă în mod normal în celulele sănătoase sugerează că proteinele sau alte componente celulare ar putea oferi un strat suplimentar de protecție, tamponând interacțiunile inadecvate dintre moleculele de ARN. Descoperirile conturează astfel un tablou mai amplu al modului în care celulele folosesc multiple mecanisme pentru a gestiona interacțiunile ARN și a preveni agregarea necorespunzătoare.
Rezultatele ar putea avea implicații și pentru domeniul terapiilor pe bază de ARN mesager. Atunci când cercetătorii proiectează ARN-uri sintetice pentru vaccinuri și alte tratamente, pot alege între diferiți codoni care produc aceeași proteină. Noul studiu sugerează că modul în care ARN-ul rezultat se pliază și interacționează cu alte molecule de ARN ar putea fi un criteriu important la selectarea acestor secvențe.
„Ceea ce ne oferă acest lucru este o nouă lentilă pentru a gândi evoluția genomurilor”, a declarat Ankur Jain. „Secvențele nu evoluează doar pentru a codifica proteine funcționale; există o constrângere suplimentară de a produce ARN-uri mesagere care sunt mai puțin predispuse să se lipească unele de altele. Aceste descoperiri ar putea oferi, de asemenea, principii directoare pentru proiectarea secvențelor folosite în vaccinurile cu ARN mesager și în alte terapii pe bază de ARN.”
