O tom, jak život dokáže přežít v extrémních podmínkách, se příroda učí již miliardy let. Mezi organismy, které se vyvinuly k odolávání vysokým teplotám, patří jedno- až dvoubuněčné organismy, jejichž studium v posledních desetiletích vedlo k revolučním technologiím. Tyto technologie zahrnují rychlé replikace DNA (PCR), výrobu teplu odolných proteinů a dokonce i výrobu paliv a chemických látek. Mezi nejpozoruhodnějšími z těchto organismů jsou hypertermofilové, kteří obývají sopečné krátery, podvodní fumaroly a horké prameny, kde teplota přesahuje 80 stupňů Celsia.
Nová výzkumná metoda vyvinutá vědci z Weizmann Institute of Science odhalila, jak hypertermofilové přeformátovávají molekuly RNA v jádru jejich ribozomů – továrny na výrobu tělních proteinů – aby přežili v těchto extrémních teplotách. Výsledky z laboratoře profesora Šeraga Švarce, publikované v odborném časopise Cell, vyvracejí názor, že základní životní procesy jsou mezi druhy uni-formní a nemění se v průběhu času. Tyto nálezy by mohly vylepšit lékařské a průmyslové technologie založené na RNA a poskytnout částečné vysvětlení dlouhotrvajícího tajemství v oblasti vývoje léčiv.
Ribozom jako fundamentální struktura života
Ribozom je jednou z nejstarších a nejjednodušších biologických buněk, společných všem říším života, včetně archaea, bakterií a eukaryot. Před více než 60 lety bylo objeveno, že ribozomální RNA podléhá „editorialním“ chemickým opravám (modifikacím) po svém vzniku v buňce. Avšak pro nedostatek měřicích údajů nebylo známo, do jaké míry se tyto změny liší mezi druhy nebo v závislosti na podmínkách prostředí.
„Až donedávna, hlavně na základě výzkumů kvasinek a lidí, se předpokládalo, že editace RNA je konzistentní mezi ribozomy jedinců stejného druhu a nemění se podle prostředí,“ říká profesor Švarc z oddělení molekulární genetiky institutu. „Nicméně v posledních letech se v několika druzích objevily důkazy, že editace může být dynamická a umožnit úpravu struktury ribozomu tak, aby lépe odpovídala prostředí. Obtížnost provádět komplexní výzkum, který by tuto teorii potvrdil, byla způsobena velkým počtem typů oprav, obtížemi v jejich identifikaci a omezeními současných metod, které obvykle umožnily zkoumat pouze jeden typ opravy na jedné vzorku najednou.“
Nová metoda pokročilého výzkumu
Nový přístup vyvinutý v laboratoři profesora Švarce, vedený doktorem Miguelem A. Garcíou Kamposem, umožňuje současné vyhodnocení 16 různých typů editorials v desítkách RNA vzorků a přináší revoluci ve výzkumu RNA editace. Díky tomu vědci poprvé identifikovali opravy v deseti druzích jedno-buněčných organismů a porovnali je se čtyřmi druhy, které byly prozkoumány dříve. Zvlášť vybrali organismy, které přežívají v extrémních podmínkách prostředí, včetně tří hypertermofilních druhů, s myšlenkou, že pokud ribozom má adaptační mechanizmus, tak by měl být přítomen právě u nich.
„Zatímco většina bakterií a archaea má pouze desítky modifikací ribozomální RNA, u hypertermofilů jsme našli stovky editorials,“ popisuje profesor Švarc. „Ve skutečnosti se ukázalo, že čím vyšší je přírodní teplota organismu, tím více editorials provádí.“
Studie dynamiky RNA editace
Po zjištění rozdílu mezi druhy s různými habitáty se vědci zabývali otázkou, zda je daný druh schopen přeřadit svou ribozomální RNA – a tím změnit strukturu ribozomu – podle měnících se podmínek prostředí. Každý z druhů byl pěstován ve třech až pěti různých environmentálních podmínkách. U jedno-buněčných organismů žijících v běžných teplotách byly editorials převážně konstantní a nezávisely na podmínkách růstu. Naopak téměř polovina modifikací u hypertermofilů byla dynamická a vyskytovala se na více místech v molekulách RNA, jak teplota rostla. Vědci proto dospěli k závěru, že změny ve struktuře ribozomu nejsou pouze možné – jsou důležitým adaptačním mechanizmem.
Vědci identifikovali tři druhy změn, které se systematicky a široce podílely na vzrůstající teplotě. „Jedním z nejpřekvapivějších objevů bylo, že jeden z těchto editorials – přidání methylové skupiny (metylace) – se u hypertermofilů téměř vždy objevovalo spolu s jiným rozdílem – přidání acetylové skupiny (acetylace),“ říká profesor Švarc. „To vyvolalo hypotézu, že tyto přídavky spolupracují. Spojili jsme se s tým prof. Sebastiana Glatta z Jagellonské univerzity v Krakově a prozkoumali jsme stabilitu molekuly RNA bez přídavků, po přidání jedné chemické skupiny, methyl nebo acetyl, a po přidání obou. Jak methylace, tak acetylace měly stabilizační účinek na RNA, avšak pokud spolu kooperovaly, výsledek byl lepší, než suma jejich jednotlivých účinků.“
Pochopení vlivu editace na ribozom
Co však zůstalo nejasné, je způsob, jakým editace mění strukturu ribozomu. Aby to zjistili, tým vědců spolupracoval s laboratoří prof. Morana Šelova Ben-Ami z oddělení strukturální a chemické biologie institutu, která provedla elektronovou mikroskopii jednotlivých částic při hlubokém zmrazení (cryo-EM) a mapovala ribozom hypertermofilního archaea. Vědci mapovali strukturu ve dvou stavech – když byl enzym, který provádí metylaci při vysokých teplotách, aktivní a když byl deaktivován. Objevili, že methylové skupiny přidané při vysokých teplotách jsou rozloženy po celém ribozomu a vytvářejí různé slabé vazby s molekulami v okolí, čímž podpořily celkovou strukturu. Také identifikovali, že v oblastech, kde proběhly editorials, je méně prázdných míst v ribozomu, což znamená, že „díry“ ve struktuře byly „uzavřeny“.
Odhalení tajemství methylace a acetylace
Nové poznatky odhalují sofistikovaný mechanismus, díky němuž mohou jemné chemické změny v molekule RNA výrazně zpevnit její strukturu a umožnit jí fungovat v měnícím se prostředí. Také představují možný klíč k tajemství „magického methylu“ – neobjasněný zlepšující účinek přes 100x u některých léčiv, které bylo pozorováno při přidání methylové skupiny.
„V současnosti se naskýtá možnost, že alespoň některé změny editorials v molekule RNA – jako methylace a acetylace – nejsou izolovány, a že by měly být zkoumány jako kontinuální kód,“ říká profesor Švarc. „Náš výzkum zaměřený na ribozomální RNA přispívá k pochopení vztahu mezi různými typy editorials a metoda, kterou jsme vyvinuli, by měla urychlit a rozšířit studium mnoha různých typů změn a nových druhů.
„Mnoho technologií založených na RNA je v současnosti na trhu nebo ve vývoji – od vakcín proti pandemiím, po diagnostiku a léčbu rakoviny, až po nástroje pro genetickou editaci v biotechnologickém průmyslu a medicíně,“ dodává. „Přirozený proces editace RNA prošel miliardami let vylepšování, a odhalení jeho tajemství může dovolit vývoj spolehlivějších a efektivnějších technologií založených na RNA.“
Studie se zúčastnili také Joe Georgeson, Dr. Ronit Nir, Dr. Vinitra Aiyar a Dr. Anatoli Kostanovitch z oddělení molekulární genetiky institutu; Dr. Robert Reichalt, Dr. Felix Grunberger, Nicholas Alexander, profesor Sebastian Ferreira-Saraca a profesor Dina Grohman z univerzity v Regensburgu v Německu; Dr. Kristin A. Fluck, profesor Bart W. Burkhardt a profesor Thomas J. Santangelo z Coloradské státní univerzity; Dr. Dona Matzo z oddělení strukturální a chemické biologie institutu; Dr. Lauren Louis z laboratoře Lawrence Berkeley National Laboratory v Kalifornii; Dr. Sopony Thalle Gmag, Dr. Shirin A. Haafi-Manaj a Dr. Jordan L. Mayer z Národního výzkumného ústavu rakoviny ve Fredericku, Marylandu; Dr. Milan Jurouček a profesor Jörg Vogel z Würzburské univerzity v Německu; Dr. Yuko Nobi a profesor Masato Takaoka z metropolitní univerzity v Tokiu (TMU), Japonsko; Jakub S. Novak z Jagellonské univerzity v Krakově, Polsko; Manoj Ferreira, Alexander Apostol a Dr. Shi You Fang z Michiganské technologické univerzity (MTU), Houghton, Michigan; Dr. Gil Yona z oddělení infrastruktury výzkumu životních věd v institutu; a profesor Eric Wusthoff z Institutu molekulární a buněčné biologie (IBMC), Štrasburk, Francie.
Tento článek byl publikován v časopise Science Magic, Weizmann Institute of Science.
