Η μυστική ζωή του RNA έξω από το κύτταρο
Για δεκαετίες, οι ερευνητές βρίσκουν το DNA και την αδελφή του, το RNA, να κυκλοφορούν στο σώμα, έξω από το ασφαλές εσωτερικό των κυττάρων όπου αυτά τα μόρια κάνουν το βασικό τους έργο αποθήκευσης και μετάφρασης του κώδικα της ζωής. Οι λόγοι για αυτά τα μοριακά ταξίδια παρέμειναν μυστηριώδεις, αλλά τα τελευταία χρόνια έχουν συσσωρευτεί στοιχεία ότι αυτό το εξωκυτταρικό RNA μπορεί να έχει διαφορετική δουλειά, τουλάχιστον σε ορισμένους οργανισμούς.
Το RNA, πιο γνωστό στους βασικούς φοιτητές βιολογίας για το ρόλο του στη μετάφραση γονιδίων σε πρωτεΐνες, έχει αποδειχθεί ότι είναι ένα εκπληκτικά ευέλικτο και κοσμοπολίτικο μόριο. Τα φυτά, οι στρογγυλοί σκώληκες, οι επίπεδες σκώληκες και τα έντομα χρησιμοποιούν το RNA για να μεταφέρουν σήματα μέσω των ιστών τους και ίσως περαιτέρω. Εμπνευσμένος από εργαστηριακές μελέτες που υπαινίσσονται ότι το RNA μπορεί να παίζει ρόλο στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ οργανισμών, ακόμη και διαφορετικών ειδών, ο Eric Miska, μοριακός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, επινόησε τον όρο «κοινωνικό RNA» για να περιγράψει τον προφανή ρόλο του μορίου στην επικοινωνία τόσο στο εσωτερικό. και εξωτερικούς οργανισμούς.
Τα φυτά και τα παράσιτα που επιδιώκουν να τα μολύνουν μπορούν να αναπτύξουν RNA το ένα εναντίον του άλλου. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Science τον Οκτώβριο, οι ερευνητές περιγράφουν πώς ένας μύκητας - ένας που είναι υπεύθυνος τόσο για την καταστροφή των καλλιεργειών με γκρίζα μούχλα όσο και για την παραγωγή της ευγενούς σήψης που αρωματίζει τα επιδόρπια κρασιά - προστατεύεται χρησιμοποιώντας τα δικά του μικρά μόρια RNA για να καταστρέψει την άμυνα RNA των φυτών μηχανήματα, φιμώνοντας γονίδια που κανονικά θα καταπολεμούσαν τις μυκητιάσεις. Ανακαλύψεις όπως αυτή δείχνουν έναν ρόλο για το RNA στον αγώνα εξοπλισμών μεταξύ φυτών και παρασίτων, μια από τις πιθανές περιπτώσεις κοινωνικού RNA, είπε ο Miska. «Νομίζω ότι είναι αρκετά συναρπαστικό, αλλά είναι νωρίς», είπε ο Miska. "Πολλά πράγματα πρέπει να ανακαλυφθούν ακόμα."
Ενώ ο ρόλος του RNA στη σηματοδότηση σε φυτά και ασπόνδυλα δεν είναι πλήρως κατανοητός, αυτός ο ρόλος είναι σαφώς καθορισμένος. Αυτό δεν ισχύει για το RNA στα θηλαστικά, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Σε αυτά τα είδη, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι αυτά τα μόρια ταξιδεύουν έξω από τα κύτταρα, αλλά δεν είναι ακόμη σαφές εάν αποτελούν μορφή επικοινωνίας ή όχι.
Το RNA έχει βρεθεί σε μια πληθώρα υγρών του ανθρώπινου σώματος:αίμα, ούρα, δάκρυα, εγκεφαλονωτιαίο υγρό, μητρικό γάλα, αμνιακό υγρό, σπερματικό υγρό και άλλα. Επιπλέον, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι μικρά κομμάτια κυκλοφορούντος RNA μπορούν να αντανακλούν συγκεκριμένες συνθήκες, όπως η παρουσία καρκινικού όγκου ή διαταραχές που σχετίζονται με την εγκυμοσύνη. «Είναι σαν να ανοίγεις το κουτί της Πανδώρας», είπε η Xandra Breakefield, νευρογενετική στο Γενικό Νοσοκομείο της Μασαχουσέτης, σχετικά με την ανακάλυψη του κυκλοφορούντος RNA. "Δεν συνειδητοποιήσαμε ότι όλα αυτά ήταν εκεί έξω."
Ενώ ορισμένοι παραμένουν δύσπιστοι ότι το εξωκυτταρικό RNA και το DNA είναι κάτι περισσότερο από υπολείμματα, ο Breakefield και άλλοι βλέπουν μια πολύ πιο συναρπαστική προοπτική:ότι μπορεί να είναι μια νέα μορφή επικοινωνίας μεταξύ των κυττάρων που παίζει ρόλο στην ανθρώπινη υγεία. Για παράδειγμα, ορισμένες μελέτες υποδεικνύουν ότι τα μικρά RNA λειτουργούν ως οδηγίες που βοηθούν στο συντονισμό μιας ανοσολογικής απόκρισης ή προετοιμάζουν τα καρκινικά κύτταρα να εισβάλουν σε υγιή ιστό.
Σήμα σιγής
Ξεκινώντας στα τέλη της δεκαετίας του 1950, το RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ) μεταφέρθηκε ως υπηρέτης στο υψηλότερου προφίλ αδελφό του DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ), ένας ρόλος που αποδείχθηκε ότι περιλάμβανε τη μεταγραφή του γενετικού κώδικα και τη συναρμολόγησή του στις πρωτεΐνες που χτίζουν κύτταρα και επιτρέπουν να λειτουργήσουν. Τις τελευταίες δεκαετίες, ωστόσο, η περιγραφή εργασίας του RNA έχει επεκταθεί:Μπορεί να ξεκινήσει χημικές αντιδράσεις, να ρυθμίσει τη δραστηριότητα των γονιδίων μέσα σε ένα κύτταρο και τώρα, ορισμένοι προτείνουν, να χρησιμεύσει ως σήμα που επιτρέπει σε ένα κύτταρο να επηρεάσει τη συμπεριφορά άλλων. /P>
Πριν από περίπου 15 χρόνια, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να φτιάξουν το στρογγυλό σκουλήκι Caenorhabditis elegans σύσπαση εγχύοντάς του συμπληρωματικούς κλώνους RNA που ταίριαζαν με την αλληλουχία ενός γονιδίου που είναι υπεύθυνο για μια πρωτεΐνη στις μυϊκές ίνες. Η άφιξη αυτού του δίκλωνου RNA πυροδοτεί μια διαδικασία που απενεργοποιεί αποτελεσματικά το γονίδιο στόχο και, σε αυτήν την περίπτωση, βλάπτει τους μύες του σκουληκιού.
Από τότε οι επιστήμονες ανακάλυψαν αυτό το είδος RNA που αποσιωπά σε πολλούς οργανισμούς. Πιστεύουν ότι βοηθά στην άμυνα έναντι της μόλυνσης, κλείνοντας τη δραστηριότητα των εισβολέων ιών, οι οποίοι μπορούν να υπάρχουν προσωρινά ως δίκλωνο RNA. Όταν αυτό το δίκλωνο RNA αναδύεται μέσα σε ένα κύτταρο σκουληκιού, ο μοριακός μηχανισμός του σκουληκιού το χρησιμοποιεί ως οδηγό για να κλείσει τα ιικά γονίδια που το παρήγαγαν. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται παρεμβολή RNA και δημιουργεί επίσης ένα σήμα σίγησης RNA που εξαπλώνεται μέσω του σκουληκιού μέσω ενός μοριακού καναλιού. Παρόμοια σήματα έχει αποδειχθεί ότι εξαπλώνονται στα σώματα των εντόμων, των επίπεδων σκουληκιών και των φυτών.
Τα στοιχεία για κοινωνικό RNA σε φυτά και ασπόνδυλα αναπόφευκτα εγείρουν το ερώτημα:Τι γίνεται με εμάς; Όπως τα φυτά και τα ασπόνδυλα, τα θηλαστικά είναι ικανά να αποσιωπούν γονίδια μέσω παρεμβολής RNA, αλλά αυτό το σύστημα δεν φαίνεται να παίζει σημαντικό ρόλο στο ανοσοποιητικό μας σύστημα. Μέχρι στιγμής, δεν υπάρχουν στοιχεία ότι τα κύτταρα θηλαστικών μπορούν να εκπέμπουν ένα σήμα σίγησης RNA όπως κάνουν τα κύτταρα σκουληκιών. Ωστόσο, ορισμένοι υποπτεύονται ότι ένας ξεχωριστός τύπος RNA, που ονομάζεται microRNA, παίζει παρόμοιο κοινωνικό ρόλο στα θηλαστικά.
Η οδός microRNA σχετίζεται με την οδό παρεμβολής RNA, αλλά τα microRNA διαφέρουν από τα μόρια που εμπλέκονται στην παρεμβολή RNA με δύο σημαντικούς τρόπους:Τα MicroRNA κωδικοποιούνται στο γονιδίωμα και ρυθμίζουν άλλα γονίδια στον ίδιο οργανισμό. Σε αντίθεση με την παρεμβολή RNA, η οποία αποσιωπά τα γονίδια ενός μολυντικού ιού, τα microRNA μειώνουν την έκφραση των γονιδίων μέσα στο κύτταρο στο οποίο παράγονται.
Ενώ ο ρόλος που παίζουν τα microRNA μέσα στα κύτταρα είναι καλά κατανοητός, δεν είναι σαφές γιατί επιπλέουν έξω από αυτά. Μερικά κύτταρα θηλαστικών φτύνουν μεσοκυτταρικές συσκευασίες, που ονομάζονται κυστίδια, που προσλαμβάνονται από άλλα κύτταρα. Το 2007, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα κύτταρα των θηλαστικών μπορούν να εισάγουν RNA, συμπεριλαμβανομένων των microRNA, σε αυτές τις συσκευασίες. Τα ευρήματα προτείνουν έναν νέο τρόπο για να επηρεάζει ένα κύτταρο τη δραστηριότητα ενός άλλου.
«Γνωρίζουμε ότι ορισμένα κύτταρα βάζουν πολλά συγκεκριμένα RNA σε αυτά τα κυστίδια», είπε ο Breakefield. "Σίγουρα απλώς καταβροχθίζονται [από άλλα κύτταρα], επομένως υπάρχει η δυνατότητα μεταφοράς πληροφοριών με αυτόν τον τρόπο."
Έκτοτε αποδείχτηκε ότι ένα θηριοτροφείο RNA, άλλα μόρια, ακόμη και κομμάτια DNA μπορούν να βρεθούν μπλεγμένα σε κυστίδια, και ότι τα κυστίδια δεν είναι η μοναδική διαδρομή του microRNA. Το μόριο μπορεί να κυκλοφορήσει μέσω του σώματος συνδεδεμένο με πρωτεΐνες, οι οποίες το προστατεύουν από το εχθρικό περιβάλλον έξω από το κύτταρο, καθώς και με άλλα μέσα.
Στοιχεία και αβεβαιότητα
Για να κατανοήσουν τι κάνουν τα κυκλοφορούντα microRNA, οι επιστήμονες πρέπει να επιβεβαιώσουν ότι αυτά τα μόρια πράγματι μεταφέρονται από το ένα κύτταρο στο άλλο. Επειδή τα κύτταρα παράγουν πολλά microRNA, μπορεί να είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από πού προέρχεται ένα δεδομένο microRNA. Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, ο D. Michiel Pegtel, κυτταρικός βιολόγος στο Πανεπιστημιακό Ιατρικό Κέντρο VU στο Άμστερνταμ, και οι συνεργάτες του στράφηκαν σε έναν ιό, τον Epstein-Barr. Ο ιός αναγκάζει τα μολυσμένα κύτταρα να παράγουν ιικά microRNA που βοηθούν τον ιό να αναπαραχθεί. Δεδομένου ότι κανένα φυσιολογικό κύτταρο δεν θα παράγει ιικά microRNA, αυτά είναι σχετικά εύκολο να εντοπιστούν.
Ο Pegtel και οι συνεργάτες του ξεκίνησαν με δύο τύπους ανοσοκυττάρων. Τα Β κύτταρα, ένας τύπος λευκών αιμοσφαιρίων, μολυσμένα με τον ιό, και τα δενδριτικά κύτταρα, τα οποία ανιχνεύουν τους εισβολείς του ιού και ειδοποιούν άλλα κύτταρα του ανοσοποιητικού. Τα δύο χωρίζονταν από μια μεμβράνη με πόρους αρκετά μικρούς ώστε να επιτρέπουν τη διέλευση μόνο των κυστιδίων.
Τα δενδριτικά κύτταρα κατασκευάστηκαν γενετικά για να λάμπουν έως ότου τα microRNA που ο ιός είχε αναγκάσει τα Β κύτταρα να παράγουν ταξίδεψαν κατά μήκος του φραγμού και ησύχασαν τα λαμπερά γονίδια. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Proceedings of the National Academy of Sciences το 2010, δείχνουν ότι η μεταφορά των κυστιδίων κατά μήκος της μεμβράνης όντως μειώνει τα λαμπερά κύτταρα.
Ωστόσο, δεν είναι όλοι πεπεισμένοι. Τα αποτελέσματα από αυτό και άλλα πειράματα μεταφοράς RNA έχουν πιθανώς άλλες εξηγήσεις, είπε ο Thomas Tuschl, χημικός νουκλεϊκών οξέων και βιοχημικός στο Πανεπιστήμιο Rockefeller. Η σύντηξη του κυστιδίου με το κύτταρο μοιάζει με ιογενή λοίμωξη. Έτσι ο Tuschl υποψιάζεται ότι κάτι σχετικά με τη διαδικασία σύντηξης, ή ίσως κάτι μέσα στο κυστίδιο, το οποίο μπορεί να μεταφέρει πολλούς διαφορετικούς τύπους μορίων, θα μπορούσε να προκαλέσει μια ανοσολογική απόκριση μέσα στο κύτταρο. Αυτό με τη σειρά του θα μπορούσε να προκαλέσει αλλαγές στα κύτταρα που μοιάζουν με την υποτιθέμενη επίδραση του RNA που φτάνει, είπε ο Tuschl.
Ο Pegtel είπε ότι αυτό είναι απίθανο. Μια επιπλέον δοκιμή έδειξε ότι τα ιικά RNA θα στόχευαν ένα από τα γονίδια του ίδιου του ιού εάν τοποθετούνταν στο δενδριτικό κύτταρο. Επιπλέον, ο βαθμός θαμπώματος στα λαμπερά δενδριτικά κύτταρα αντιστοιχούσε στην ποσότητα των ιϊκών κυστιδίων που έφεραν RNA που τα βομβάρδισαν, είπε. Τα κυστίδια που δεν είχαν ιικό microRNA δεν εμφάνισαν το φαινόμενο θαμπώματος.
Ωστόσο, ο Tuschl είναι δύσπιστος για τον ρόλο του microRNA στη διακυτταρική σηματοδότηση στα θηλαστικά και για άλλους λόγους. Αυτά τα μικρά RNA υπάρχουν σε χαμηλές συγκεντρώσεις και τα θηλαστικά, σε αντίθεση με τα φυτά και τα ασπόνδυλα, δεν έχουν σημαντικό μηχανισμό για την ενίσχυση ενός σήματος RNA. "Γενικά, υπάρχουν πολύ λίγα από όλα για να γίνει αυτός ένας αποτελεσματικός μηχανισμός σηματοδότησης", είπε ο Tuschl.
Άλλοι είναι επίσης δύσπιστοι. Ο Mark Kay, γενετιστής στην Ιατρική Σχολή του Στάνφορντ, δεν απορρίπτει την πιθανότητα ότι το εξωκυτταρικό microRNA εξυπηρετεί αυτόν τον σκοπό, αλλά δεν είναι έτοιμος να το αγκαλιάσει. "Προσπαθώ να έχω ανοιχτό μυαλό, αλλά δεν νομίζω ότι σε αυτό το σημείο είναι πειστικό ότι η σηματοδότηση συμβαίνει σε συστήματα θηλαστικών", είπε ο Kay.
Ακόμη και ο Pegtel είναι προσεκτικός, λέγοντας ότι οι επιστήμονες έχουν δρόμο μπροστά τους για να μπορέσουν να δηλώσουν οριστικά ότι το κυκλοφορούν RNA προκαλεί συγκεκριμένες αλλαγές κατά την άφιξή τους στα κύτταρα. Οι περισσότερες από τις μελέτες σε θηλαστικά μέχρι σήμερα έχουν γίνει σε κύτταρα που αναπτύσσονται σε δοκιμαστικούς σωλήνες και όχι σε ζωντανά θηλαστικά. Όπως επεσήμανε ο Pegtel, αυτά τα πειράματα βασίζονται σε αφύσικες συνθήκες, όπως πολύ συγκεντρωμένες δόσεις κυστιδίων και microRNA. Είπε, "Αυτό το αποτέλεσμα είναι πολύ τεχνητό."
Το επόμενο βήμα, είπε, θα είναι να προσπαθήσουμε να δείξουμε ότι το RNA που μεταδίδεται από κυστίδια έχει μια σημαντική επίδραση στην τεράστια πολυπλοκότητα των ζώντων θηλαστικών. "Ο χρόνος θα δείξει."
Ένας νέος γύρος πειραμάτων θα μπορούσε να βοηθήσει να απαντηθούν οι ερωτήσεις και να διευκρινιστεί ο ρόλος του κυκλοφορούντος RNA στην ανθρώπινη υγεία και ασθένειες. Τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας ανακοίνωσαν τον Αύγουστο 17 εκατομμύρια δολάρια σε κεφάλαια για 24 ερευνητικά έργα που επικεντρώνονται στην κατανόηση του εξωκυτταρικού RNA, συμπεριλαμβανομένου του microRNA, και στη χρήση αυτών των μορίων για τη διάγνωση και τη θεραπεία ασθενειών.
Ο Breakefield, ο οποίος έλαβε μία από τις επιχορηγήσεις, εξετάζει πώς το RNA που απελευθερώνεται από το γλοιοβλάστωμα, μια εξαιρετικά επιθετική μορφή καρκίνου του εγκεφάλου, χειρίζεται τα γύρω κύτταρα για να υποστηρίξει τη δική του ανάπτυξη. Ο Tuschl, επίσης δικαιούχος, διερευνά την πιθανή χρήση του RNA ως δείκτη για αυτοάνοση νόσο. Μέσω μιας ξεχωριστής επιχορήγησης, ελπίζει επίσης να μελετήσει μια πιθανή εναλλακτική εξήγηση για τις αλλαγές στα κύτταρα που ακολουθούν την άφιξη των κυστιδίων που φέρουν RNA.
Από την οπτική γωνία του NIH, τα στοιχεία δείχνουν ήδη ότι αυτό το RNA μπορεί να λειτουργήσει ως σήμα. Αλλά ακόμα κι αν τα ταξιδιωτικά RNA είναι μόνο υπολείμματα, μπορεί να εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως δείκτες για ασθένειες και ως μέσο για να στρατολογήσουν τα κυστίδια που τα μεταφέρουν για να μεταφέρουν φάρμακα σε δυσπρόσιτα μέρη, δήλωσε ο Danilo Tagle, αναπληρωτής διευθυντής ειδικών πρωτοβουλιών στο το Εθνικό Κέντρο για την Προώθηση Μεταφραστικών Επιστημών, το οποίο συμμετέχει στο πρόγραμμα εξωκυτταρικού RNA του NIH.
Οι επιπτώσεις για την κυτταρική βιολογία και την ιατρική είναι πρωταρχικές, είπε ο Tagle. "Κατά μία έννοια ανοίγουμε μια νέα περιοχή έρευνας", είπε.
