Regulowanie przez wyciszanie, czyli jak krótkie cząsteczki RNA modulują ekspresję genów
Naukowcy wciąż pracują nad nowoczesnymi metodami ulepszania roślin uprawnych w celu poprawienia odporności na różnego rodzaju stresy oraz zwiększenia zawartości związków odżywczych.
Według historii ewolucji, życie na Ziemi powstało ok. 4 mld lat temu, kiedy to wysokoenergetyczne reakcje chemiczne przyczyniły się do wytworzenia samoreplikujących się cząsteczek, dając tym samym początek wspólnemu przodkowi wszystkich organizmów obecnie żyjących na naszej planecie. Zarówno ludzie, zwierzęta, jak i rośliny żyją i ewoluują dzięki temu, że ich komórki zawierają kompletny zestaw informacji genetycznej (tj. genom – "instrukcja” kierująca wszystkimi funkcjami komórki i/lub organizmu).
Kwalifikowany materiał siewny wciąż niedoceniany
Informacja ta jest zapisana w postaci określonej sekwencji nukleotydów (związki organiczne z grupy estrów fosforanowych) w cząsteczkach kwasów nukleinowych (tzw. kod genetyczny): DNA (kwas deoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy). Jest ona "tłumaczona" na ściśle określoną kolejność aminokwasów w cząsteczkach białek, które umożliwiają przebieg procesów wzrostowych, funkcjonalnych i naprawczych wszystkich żywych komórek. Kierunek przepływu informacji genetycznej w żywej komórce: DNA >> RNA >> białko, określa tzw. centralny dogmat genetyczny.
Przekazywanie informacji genetycznej w komórce obejmuje m.in. procesy, takie jak: replikacja DNA i/lub RNA; transkrypcja (synteza RNA na matrycy DNA) i translacja (tłumaczenie sekwencji nukleotydów w cząsteczce mRNA (informacyjny, matrycowy RNA) na sekwencję aminokwasów w powstającym łańcuchu białka). Proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie (fragment DNA (lub u niektórych wirusów RNA) kodujący określone białko lub RNA) zostaje odczytana i przepisana na jego produkty (tj. białka lub RNA - jeśli sekwencja DNA koduje RNA inne niż mRNA (czyli m.in. rybosomalne (rRNA), transportujące (tRNA), mikro-RNA (miRNA), itp.) nosi nazwę tzw. ekspresji genu.
Ważnym mechanizmem regulującym "pracę" genów w komórkach ludzkich, zwierzęcych i roślinnych jest tzw. interferencja RNA (RNAi) (schemat). Zjawisko to odpowiada za "wyłączanie" niektórych genów, poprzez zniszczenie (degradację) i/lub blokowanie cząsteczek mRNA. Za wyciszanie ekspresji docelowego mRNA odpowiedzialne są małe RNA (tzw. sRNA, krótkie cząsteczki długości około 20 nukleotydów). Do sRNA należą m.in. mikro RNA (miRNA) oraz małe interferujące RNA (siRNA).
Białka do zadań specjalnych w życiu człowieka, zwierząt i roślin
Cząsteczki siRNA są najczęściej egzogennymi, dwuniciowymi RNA pobieranymi przez komórkę (wirusowe RNA). Natomiast miRNA są endogennymi, jednoniciowymi cząsteczkami RNA, tworzącymi strukturę tzw. spinki do włosów, która po przecięciu tworzy krótką, podwójną cząsteczkę tzw. duplex. Choć oba rodzaje cząsteczek krótkich RNA biorą udział w wyciszaniu genów to mechanizmy te wykazują pewne różnice. Wiadomym jest, że siRNA zapewnia obronę przed wirusami oraz stabilność genomu, zaś miRNA odpowiada za regulację ekspresji genów znajdujących się wewnątrz komórki. Badania naukowe wykazały, że siRNA i/lub miRNA wiążą się z kompleksem białkowym RISC, który zawiera m.in. białka z rodziny ARGONAUTE (AGO).
`Cząsteczki AGO wiążą odpowiednie sRNA, służą jako platformy, z którymi mogą łączyć się kofaktory wyciszające, a niektóre z nich posiadają aktywność endonukleaz (enzymy uczestniczące w rozkładzie kwasów nukleinowych). Aktywny kompleks RISC łączy się z docelowym mRNA, które w zależności od związanej z RISC cząsteczki sRNA zostaje zablokowane (nie zachodzi translacja) lub ulega degradacji.
Badania zmierzające do poznania mechanizmu i roli RNAi, jak i wykorzystania tego zjawiska w praktyce cieszą się dużym zainteresowaniem. W 2006 roku w dziedzinie fizjologia i/lub medycyna przyznano Nagrodę Nobla naukowcom Andrew Z. Fire i Craig C. Mello ze Stanów Zjednoczonych, którzy badali rolę RNAi w organizmach zwierzęcych, a konkretniej w Caenorhabditis elegans, glebowym, niepasożytniczym nicieniu żywiącym się mikroorganizmami. Laureaci nagrody wstrzykiwali nicieniom cząsteczki mRNA sekwencji genu UNC-22 ( koduje białko komórek mięśniowych), którego wyciszenie skutkowało możliwym do zaobserwowania pod mikroskopem drżeniem ciała nicienia, nie powodowało to jednak skrócenia żywotności czy poważniejszych zaburzeń fizjologicznych u nicienia).
Kwalifikowany materiał siewny. Dobrze przekalkuluj
Blisko dekadę temu, podjęto również pierwsze próby wykorzystania RNAi w leczeniu chorób ludzi. W tym celu przeprowadzono kliniczne doświadczenia nad RSV (syncytialny wirus oddechowy) – wirusem odpowiedzialnym za choroby dróg oddechowych najczęściej występujących u niemowląt. W tym celu zainfekowanym 43 ochotnikom w wieku ok. 28 lat, podawano w postaci sprayu do nosa, specyficzne siRNA (tj. sekwencję ALN-RSV01, aby wyciszać mRNA odpowiedzialne za syntezę płaszczu białkowego i zawartego wewnątrz kwasu nukleinowego wirusa. Po 11 dniach obserwacji, jedynie 44 proc. ochotników (w porównaniu do grupy kontrolnej-placebo) było nadal zainfekowanych wirusem.
Badania krwi pacjentów wykazały, że stan ten nie wynikał z aktywności układu odpornościowego, a był efektem zastosowanej terapii i wyciszenia wirusowej informacji genetycznej. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się także badania nad poznaniem roli kompleksu RISC oraz miRNA w nowotworzeniu m.in. raka pierwotnego wątroby. Wykazano, że niektóre cząsteczki miRNA, takie jak np. mi-R221, mogą być wykorzystane w diagnostyce nowotworów, a z czasem być może pozwolą na skuteczniejszą walkę z nowotworami złośliwymi.
Chociaż możliwość wykorzystania wiedzy na temat RISC i RNAi w leczeniu chorób nowotworowych i genetycznych ludzi jest wciąż w sferze odległych marzeń, to wyniki obecnie prowadzonych badań są bardzo obiecujące i dają nadzieję na pozyskanie skutecznych metod leczenia chorób nowotworowych i walki z wirusami takimi jak m.in.: HIV (ludzki wirus upośledzenia odporności), HBV (wirus zapalenia wątroby typu B) czy RABV (wirus wścieklizny).
O 3-6 dt więcej z hektara. Tym zabiegiem ograniczysz straty plonu
Naukowcy pracują także nad możliwością wykorzystania RNAi w nowatorskich metodach ulepszania roślin uprawnych np. w celu poprawienia odporności na różnego rodzaju stresy oraz zwiększenia zawartości związków odżywczych. Z powodzeniem wykorzystuje się RNAi w celu wprowadzenia modyfikacji pożądanych cech, takich jak np.: zwiększenie trwałości i wydłużenie okresu przechowywania organów roślinnych. Zjawisko RNAi wykorzystano m.in. do zablokowania ekspresji genu oksydazy ACC (kwas 1-aminocyklopropano-1-karboksylowy) w pomidorach, w wyniku czego w dojrzałych owocach roślin transgenicznych zmalała szybkość produkcji etylenu (hormonu roślinnego odpowiedzialnego m.in. za stymulację dojrzewania i starzenia organów roślinnych). Modyfikacja ta przedłużyła znacznie trwałość owoców pomidora.
RNAi stosuje się również do eliminacji alergenów i substancji toksycznych. Badania naukowe wykazały, że RNAi skutecznie hamuje ekspresję genu Mal d 1 w jabłoni, który jest jednym z głównych alergenów jabłkowych. Zaś w innych eksperymentach użyto RNAi do wyciszenia w tytoniu genu CYP82E4 kodującego enzym demetylazy nikotyny, który pośredniczy w przekształcaniu nikotyny do nornikotyny, będącej prekursorem rakotwórczej nitrozoaminy.
Jednym z celów badań prowadzonych w zespole badawczym SeedExplorerGroup (www.seedexplorer.eu), w Katedrze Fizjologii Roślin, Instytutu Biologii, Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, kierowanym przez dr Krystynę Oracz, jest określenie roli wybranych miRNA oddziałujących z białkami AGO w regulacji ekspresji genów podczas ustępowania spoczynku i kiełkowania nasion rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana, przedstawiciel roślin z rodziny kapustowatych, do których należą także rośliny użytkowe, takie jak np.: rzepak, gorczyca, rzeżucha, kapusta).
W prace te są zaangażowani m.in. inż. Anna Sokołowska i inż. Maciej Rugała realizujący prace magisterskie w ww. grupie badawczej, finansowane przez grant naukowy OPUS12 Narodowego Centrum Nauki (nr 2016/23/B/NZ3/03147).
- Krok po kroku w zakresie doboru odmian, nawożenia i ochrony. Zamów prenumeratę miesięcznika "Nowoczesna Uprawa" już teraz
