Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství získali Američané Victor Ambros a Gary Ruvkun za objev microRNA

Informace uložené v našich chromozomech lze přirovnat k návodu k použití pro všechny buňky v našem těle. Každá buňka obsahuje stejné chromozomy, takže každá buňka obsahuje přesně stejnou sadu genů a přesně stejnou sadu instrukcí. Přesto různé typy buněk, jako jsou svalové a nervové buňky, mají velmi odlišné vlastnosti. Jak ale tyto rozdíly vznikají? Odpověď spočívá v genové regulaci, která umožňuje každé buňce vybrat pouze příslušné instrukce. To zajišťuje, že v každém typu buňky je aktivní pouze správná sada genů, píše se v tiskové zprávě Nobelových cen.

Právě o to, jak se vyvíjí různé typy buněk, se zajímali Victor Ambros a Gary Ruvkun. Objevili microRNA, tedy novou třídu malých molekul RNA, které hrají klíčovou roli v genové regulaci. Jejich převratný objev odhalil zcela nový princip genové regulace, který se ukázal být nezbytný pro mnohobuněčné organismy, včetně člověka. Nyní je známo, že lidský genom kóduje více než tisíc mikroRNA. Jejich překvapivý objev odhalil zcela nový rozměr regulace genů. Ukázalo se, že mikroRNA jsou zásadně důležité pro vývoj a fungování organismů.

Zásadní regulace

Letošní Nobelova cena se zaměřuje na objev zásadního regulačního mechanismu používaného v buňkách k řízení genové aktivity. Genetická informace proudí z DNA do messenger RNA (mRNA) prostřednictvím procesu zvaného transkripce a dále do buněčného aparátu pro produkci proteinů. Tam se mRNA překládají tak, aby se proteiny vytvořily podle genetických instrukcí uložených v DNA. Od poloviny 20. století několik nejzásadnějších vědeckých objevů vysvětlilo, jak tyto procesy fungují.

Naše orgány a tkáně se skládají z mnoha různých typů buněk, všechny s identickou genetickou informací uloženou v jejich DNA. Tyto různé buňky však exprimují jedinečné sady proteinů. Jak je to možné? Odpověď spočívá v přesné regulaci aktivity genů tak, aby v každém konkrétním typu buňky byla aktivní pouze správná sada genů. To umožňuje například svalovým buňkám, střevním buňkám a různým typům nervových buněk vykonávat jejich specializované funkce. Kromě toho musí být genová aktivita neustále dolaďována, aby se buněčné funkce přizpůsobily měnícím se podmínkám v našem těle a prostředí. Pokud se genová regulace pokazí, může to vést k vážným onemocněním, jako je rakovina, cukrovka nebo autoimunita. Pochopení regulace aktivity genů je proto důležitým cílem po mnoho desetiletí.

Tok genetické informace od DNA přes mRNA k proteinům. Identická genetická informace je uložena v DNA všech buněk v našem těle. To vyžaduje přesnou regulaci genové aktivity tak, aby v každém specifickém buněčném typu byla aktivní pouze správná sada genů. (zdroj: Nobelův výbor pro fyziologii a medicínu. Ill. Mattias Karlén)

V 60. letech 20. století se ukázalo, že specializované proteiny, známé jako transkripční faktory, se mohou vázat na specifické oblasti v DNA a řídit tok genetické informace tím, že určují, které mRNA jsou produkovány. Od té doby byly identifikovány tisíce transkripčních faktorů a dlouhou dobu se věřilo, že hlavní principy genové regulace byly vyřešeny. V roce 1993 však letošní laureáti Nobelovy ceny publikovali neočekávaná zjištění popisující novou úroveň genové regulace, která se ukázala jako vysoce významná a zachovalá v průběhu evoluce.

Výzkum malého červa vede k velkému průlomu

Na konci 80. let byli Victor Ambros a Gary Ruvkun postdoktorandi v laboratoři Roberta Horvitze, který byl v roce 2002 oceněn Nobelovou cenou, spolu se Sydney Brenner a Johnem Sulstonem. V Horvitzově laboratoři studovali relativně nenáročnou 1 mm dlouhou hlístici Caenorhabditis elegans (C. elegans). Navzdory své malé velikosti má C. elegans mnoho specializovaných typů buněk, jako jsou nervové a svalové buňky, které se také nacházejí u větších, složitějších zvířat, což z něj činí užitečný model pro zkoumání toho, jak se tkáně vyvíjejí a dozrávají u mnohobuněčných organismů. 

Ambros a Ruvkun se zajímali o geny, které řídí načasování aktivace různých genetických programů a zajišťují, že se různé typy buněk vyvinou ve správný čas. Studovali dva mutantní kmeny červů, lin-4 a lin-14, které vykazovaly defekty v načasování aktivace genetických programů během vývoje. Laureáti chtěli identifikovat mutované geny a pochopit jejich funkci. Ambros již dříve ukázal, že gen lin-4 se zdál být negativním regulátorem genu lin-14. Nebylo však známo, jak byla aktivita lin-14 zablokována. Ambros a Ruvkun byli těmito mutanty a jejich potenciálním vztahem zaujati a vydali se tyto záhady vyřešit.

(A) C. elegans je užitečný modelový organismus pro pochopení toho, jak se vyvíjejí různé typy buněk. (B) Ambros a Ruvkun studovali mutanty lin-4 a lin-14. Ambros ukázal, že lin-4 se jevil jako negativní regulátor lin-14. (C) Ambros objevil, že gen lin-4 kóduje malou RNA, mikroRNA, která nekóduje protein. Ruvkun klonoval gen lin-14 a oba vědci si uvědomili, že sekvence mikroRNA lin-4 odpovídá komplementární sekvenci v mRNA lin-14. (zdroj: Nobelův výbor pro fyziologii a medicínu. Ill. Mattias Karlén)

Po svém postdoktorském výzkumu Victor Ambros analyzoval mutanta lin-4 ve své nově založené laboratoři na Harvardské univerzitě. Metodické mapování umožnilo klonování genu a vedlo k neočekávanému zjištění. Gen lin-4 produkoval neobvykle krátkou molekulu RNA, která postrádala kód pro produkci proteinu. Tyto překvapivé výsledky naznačují, že tato malá RNA z lin-4 byla zodpovědná za inhibici lin-14. Jak to může fungovat?

Současně Gary Ruvkun zkoumal regulaci genu lin-14 ve své nově založené laboratoři v Massachusetts General Hospital a Harvard Medical School. Na rozdíl od toho, jak bylo tehdy známo, že genová regulace funguje, Ruvkun ukázal, že to není produkce mRNA z lin-14, která je inhibována lin-4. Zdá se, že k regulaci dochází v pozdější fázi procesu genové exprese, prostřednictvím zastavení produkce proteinů. Experimenty také odhalily segment v mRNA lin-14, který byl nezbytný pro její inhibici lin-4. 

Oba laureáti porovnali svá zjištění, což vedlo k průlomovému objevu. Krátká sekvence lin-4 odpovídala komplementárním sekvencím v kritickém segmentu mRNA lin-14. Ambros a Ruvkun provedli další experimenty ukazující, že mikroRNA lin-4 vypíná lin-14 vazbou na komplementární sekvence ve své mRNA, čímž blokuje produkci proteinu lin-14. Byl objeven nový princip genové regulace, zprostředkovaný dříve neznámým typem RNA, mikroRNA! Výsledky byly publikovány v roce 1993 ve dvou článcích v časopise Cell.

Publikované výsledky se zpočátku setkaly s téměř ohlušujícím mlčením vědecké komunity. Ačkoli výsledky byly zajímavé, neobvyklý mechanismus genové regulace byl považován za zvláštnost škravky C. elegans, pravděpodobně irelevantní pro lidi a další složitější zvířata. Toto vnímání se změnilo v roce 2000, kdy Ruvkunova výzkumná skupina zveřejnila svůj objev další mikroRNA, kódované genem let-7. Na rozdíl od lin-4 byl gen let-7 vysoce konzervovaný a přítomný v celé živočišné říši. Článek vyvolal velký zájem a během následujících let byly identifikovány stovky různých mikroRNA. Dnes víme, že u lidí existuje více než tisíc genů pro různé mikroRNA a že genová regulace mikroRNA je mezi mnohobuněčnými organismy univerzální.

Ruvkun klonoval let-7, druhý gen kódující mikroRNA. Gen je v evoluci konzervován a nyní je známo, že regulace mikroRNA je univerzální mezi mnohobuněčnými organismy. (zdroj: The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén)

Kromě mapování nových mikroRNA, experimenty několika výzkumných skupin objasnily mechanismy, jak jsou mikroRNA produkovány a dodávány do komplementárních cílových sekvencí v regulovaných mRNA. Vazba mikroRNA vede k inhibici syntézy proteinů nebo k degradaci mRNA. Je zajímavé, že jedna mikroRNA může regulovat expresi mnoha různých genů a naopak jeden gen může být regulován více mikroRNA, čímž koordinuje a dolaďuje celé sítě genů.

Buněčný aparát pro produkci funkčních mikroRNA se také používá k produkci jiných malých molekul RNA v rostlinách i zvířatech, například jako prostředek ochrany rostlin proti virovým infekcím. Andrew Z. Fire a Craig C. Mello, ocenění v roce 2006 Nobelovou cenou, popsali interferenci RNA, kdy jsou specifické molekuly mRNA inaktivovány přidáním dvouvláknové RNA do buněk.

Drobné RNA s hlubokým fyziologickým významem

Genová regulace mikroRNA, kterou poprvé odhalili Ambros a Ruvkun, funguje již stovky milionů let. Tento mechanismus umožnil evoluci stále složitějších organismů. Z genetického výzkumu víme, že buňky a tkáně se bez mikroRNA nevyvíjejí normálně. Abnormální regulace mikroRNA může přispívat k rakovině a u lidí byly nalezeny mutace v genech kódujících mikroRNA, které způsobují stavy, jako je vrozená ztráta sluchu, oční a kosterní poruchy.

Mutace v jednom z proteinů potřebných pro produkci mikroRNA vede k syndromu DICER1, což je vzácný, ale závažný syndrom spojený s rakovinou v různých orgánech a tkáních.

Klíčový objev Ambrose a Ruvkuna u malého červa C. elegans byl neočekávaný a odhalil novou dimenzi genové regulace, která je nezbytná pro všechny složité formy života.

Autor: redakce Našezdravotnictví.cz

Foto: Nobelprizemedicine.org