Co może kryć "czarna materia" DNA?

Maciej Florczyk w laboratorium
Do tej pory nie znamy roli, jaką pełnią w organizmie ludzkim lncRNA, czyli długie niekodujące cząsteczki kwasu rybonukleinowego. Ich tajemnice próbują rozszyfrować naukowcy z UWM.

Zakończył się projekt badawczy realizowany przez naukowców z Katedry Biotechnologii w Ochronie Środowiska Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego. Zespołem kierował prof. dr hab. Paweł Brzuzan.

Naukowcy zrealizowali właściwie cykl trzech grantów, finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki, z których każdy kolejny był konsekwencją poprzedniego. Obecnie prowadzą badania już tylko w jednym projekcie, który rozpoczął się w 2018 roku, a zakończenie planowane jest na ten rok. W zespole badawczym prof. Brzuzana pracował mgr Maciej Florczyk, który obecnie kontynuuje swoje badania nad niekodującymi RNA, czyli cząsteczkami kwasu rybonukleinowego, z których nie powstają tradycyjne białka.

Wiadomo, że RNA mają duże znaczenie w regulacji procesów komórkowych, na przykład regulują procesy uszkodzenia i regeneracji wątroby ryb narażonych na działanie mikrocystyny - jednego z toksycznych metabolitów sinic.

- Pracując w zespole prof. Brzuzana szukałem odpowiedzi na pytanie czy nadmiar lub brak krótkiego, niekodującego RNA (mikroRNA 92b-3p) wywoła określone efekty w uszkodzonej wątrobie i czy możliwe jest ograniczenie toksycznego uszkodzenia wątroby za pomocą kontrolowania ilości tego mikroRNA - mówi Maciej Florczyk.

Naukowcy coraz bardziej interesują się także długimi niekodującymi RNA (ang. long non-coding RNA, lncRNA).

- Myślę, że to zainteresowanie wynika z dwóch powodów. Po pierwsze - tajemnica. Jak wiemy, tylko z niewielkiej części genomu powstają białka. Coś, co kiedyś określano „czarną materią” lub „śmieciowym DNA”, okazało się istotnym elementem mającym wiele ważnych funkcji. Po drugie, to właśnie ta różnorodność funkcji. Nie poprę tego teraz żadnymi dowodami, ale gdybym miał zgadywać, nie zdziwiłbym się, gdyby w większości poznanych i nie poznanych jeszcze procesów komórkowych brały udział lncRNA. Przeważająca większość poznanych do tej pory lncRNA wciąż nie ma określonej funkcji. Różnorodność RNA sprawia, że do tej pory zidentyfikowano tylko niewielki fragment mechanizmów, w których lncRNA są aktywne. Jedne oparte są na samej sekwencji, inne - na jej strukturze. Gdybym miał uogólnić, powiedziałbym, że większość funkcji lncRNA możemy określić po prostu jako regulacje procesów komórkowych. Niestety, szybkość z którą poznajemy nowe sekwencje znacznie przewyższa tempo poznawania ich funkcji - mówi naukowiec.

Jego modelem badawczym stała się sieja, ryba z rodziny łososiowatych, zimnolubna, uznawana za rybę czystych wód.

- Sieja jest dość popularnym modelem w badaniach nad skutkami ekspozycji ryb na cyjanotoksyny. W pracy doktorskiej zajmuję się identyfikacją zarówno mikroRNA, jak i lncRNA zaangażowanych w procesy uszkodzenia narządów wywołanych ekspozycją ryb na jedną z cyjanotoksyn – mikrocystyną-LR. Względna dostępność publikacji innych autorów z udziałem tego gatunku pozwala na prowadzenie łatwiejszych porównań i lepsze zrozumienie mechanizmów oddziaływania cyjanotoksyn - wyjaśnia Maciej Florczyk.

Na początku Maciej Florczyk musiał zidentyfikować sekwencje lncRNA (długiego niekodującego RNA) u siei oraz uchwycić zmiany w ich ekspresji, które wywołała ekspozycja na mikrocystynę. O ile bowiem sekwencje krótkich niekodujących RNA są podobne u organizmów na różnych szczeblach ewolucji o tyle największą przeszkodą w badaniu lncRNA (czyli długich niekodujących RNA) jest niewielka powtarzalność sekwencji pomiędzy gatunkami. Oznacza to, że sekwencja lncRNA zidentyfikowanego u ludzi, pomimo możliwie podobnej funkcji, nie będzie taka sama jak u myszy czy u ryb. Co więcej, takie sekwencje różnią się nawet pomiędzy różnymi gatunkami ryb. Badając lncRNA u siei, tylko w niewielkim stopniu można posiłkować się bazami danych dostępnymi dla modelowego gatunku ryby - danio pręgowanego (Danio rerio), czy nawet bliżej spokrewnionym z sieją pstrągiem tęczowym.

Młodemu naukowcowi udało się odkryć i scharakteryzować lncRNA występujące w wątrobie siei. Wyniki badań opublikował w czasopiśmie International Journal of Molecular Sciences. Badania wykazały zaangażowanie tych cząsteczek w odpowiedź komórek wątroby ryb na zatrucie mikrocystyną-LR - toksyną produkowaną przez sinice. Daje to nadzieję na zastosowanie ich w diagnostyce jako potencjalnych biomarkerów uszkodzenia wątroby.

Opublikowane, unikalne dla siei sekwencje lncRNA, na ekspresję których wpływa ekspozycja ryb na mikrocysytnę, mogą stanowić punkt wyjściowy następnych badań zarówno nad lncRNA siei, jak i nad mechanizmem toksycznego działania mikrocystyny.

- Kolejne badania powinny skupić się na określeniu roli, jaką odgrywają w komórce. Ponieważ krótkie i długie niekodujące RNA wydają się współregulować pewne szlaki sygnałowe wywołane, bądź zaburzone, przez mikrocystyny, badanie ich wzajemnej zależności może przyczynić się do lepszego poznania mechanizmów regulacji komórkowej, w tym lepszego zrozumienia procesów powstawania nowotworów. A to z kolei, być może, pozwoli wykorzystać niekodujące RNA w sposób podobny  do tego,  w jaki wykorzystywane są dzisiaj szczepionki oparte o mRNA, np. szczepionki przeciwko COVID-19 - podsumowuje Maciej Florczyk.

mf, mah