درمان بیماری با تنظیم مولکول های RNA در بیان ژن

تصویر: نگاره ای از رشته RNA مارپیچ که در حال استراحت در حمام حباب است. همکاری بین زیست شناسان و فیزیک دانان نشان می دهد که RNA یک تنظیم کننده بازخورد برای تولید خود است. غلظت کم RNA منجر به تشکیل میعانات رونویسی می شود (که در این جا به صورت حباب نشان داده می شود) و سطح زیاد منجر به انحلال آن میعانات می شود. اعتبار تصویر: جنیفر کوک-کرایوسوس / موسسه وایتهد
 
مولکول های RNA آقای سرنوشت خودشان هستند. تحقیقات نشان می دهد محصولات رونویسی - مولکول های RNA - تولید خود را از طریق یک حلقه بازخورد تنظیم می کنند.
 
در هر لحظه از بدن انسان، در درون حدود 30 تریلیون سلول، DNA  در فرآیندی به نام رونویسی، به مولکول های RNA پیام رسان، که مرحله میانجی بین DNA  و پروتئین ها هستند، "خوانده می شوند".
 
دانشمندان یک ایده کاملاً خوب از نحوه شروع رونویسی دارند: پروتئین هایی به نام RNA polymerases در مناطق خاصی از مولکول های DNA استخدام می شوند و شروع به خواندن سطحیِ مسیرشان به پایین رشته می کنند و مولکول های mRNA را سنتز می نمایند. اما بخشی از این فرآیند کمتر درک شده است: از کجا سلول می داند چه زمانی باید رونویسی را متوقف کند؟
 
اکنون، کار جدیدی از آزمایشگاه های ریچارد یانگ، عضو پژوهشگاه زیست پزشکی وایتهد و استاد زیست شناسیMIT ، و Arup K. Chakraborty ، استاد مهندسی شیمی ، فیزیک و شیمی درMIT ، نشان می دهد که مولکول های RNA  خود مسئول تنظیم شکل گیری خود از طریق یک حلقه بازخورد هستند. تعداد خیلی کمی مولکول RNA، و سلول ها، برای بیشتر شدن، رونویسی را آغاز می کنند. سپس، در یک آستانه خاص، تعداد بسیاری از مولکول های RNA باعث می شوند که رونویسی متوقف شود.
 
این تحقیق که در شانزدهم دسامبر سال 2020 در ژورنال سلول منتشر شد، نمایانگر همکاری بین زیست شناسان و فیزیک دانان است و بیتشی فراهم می آورد در مورد نقش های بالقوه هزاران RNA که به هیچ پروتئینی ترجمه نمی شوند، و به نام RNA های غیرکدگذارنده خوانده می شوند، که در پستانداران رایج هستند و برای دهه ها دانشمندان را گیج کرده اند.
 

یک سؤال از میعانات

کارهای قبلی در آزمایشگاه یانگ بر روی میعانات رونویسی، که قطرات کوچک سلولی هستند که مولکول های مورد نیاز برای رونویسی DNA به RNA را جمع می کنند، متمرکز بود. دانشمندان در آزمایشگاه قطرات رونویسی را در سال 2018 کشف کردند و متوجه شدند که آنها به طور معمول با شروع رونویسی تشکیل می شوند و چند ثانیه یا چند دقیقه بعد، با پایان روند، حل می شوند.
 
محققان نمی دانستند که آیا نیرویی که بر انحلال میعانات رونویسی حاکم است می تواند با خواص شیمیایی RNA تولیدی آنها - به ویژه با بار بسیار منفی آنها - مرتبط باشد. اگر چنین می بود، این آخرین نمونه از فرآیندهای سلولی بود که از طریق مکانیسم بازخورد – که یک سیستم زیبا و کارآمد در سلول برای کنترل عملکردهای بیولوژیکی مانند تولید گلبول های قرمز و ترمیم DNA است - تنظیم می شد.
 
به عنوان یک آزمایش اولیه، محققان با استفاده از آزمایش درون بدنی بررسی کردند که آیا میزان RNA بر روی تشکیل میعانات تأثیر دارد یا خیر. آنها دریافتند که در محدوده سطوح فیزیولوژیکی مشاهده شده در سلول ها، سطح پایین RNA باعث تشویق تشکیل قطرات می شود و سطح بالای RNA ایجاد آن ها را بی انگیزه می کند.
 

فکر کردن در خارج از جعبه زیست شناسی

با در نظر گرفتن این نتایج، پزشکان فوق تخصص آزمایشگاه یانگ و نویسندگان اول Ozgur Oksuz و Jon Henninger  با کریشنا شرینیواس، فیزیک دان و نویسنده اصلی، دانشجوی ارشد آزمایشگاه Arup Chakraborty ، همکاری کردند تا بررسی کنند که چه نیروهای فیزیکی در این میان نقش بازی می کنند.
 
شرینیواس پیشنهاد داد که تیم یک مدل محاسباتی برای مطالعه فعل و انفعالات فیزیکی و شیمیایی بین RNA فعال رونویسی شده و میعانات متشکل از پروتئین های رونویسی ایجاد کند. هدف از این مدل این نبود که به سادگی نتایج موجود را بازتولید کند، بلکه هدف ایجاد یک بستر برای آزمایش انواع موقعیت ها بود.
 سلول ها اغلب محفظه هایی برای کنترل عملکردهای مهم بیولوژیکی ایجاد می کنند. هسته یک نمونه برجسته در این زمینه است که با غشایی احاطه شده، ژنوم را در خود جای داده است. شرینیواس می گوید: "روشی که بیشتر افراد این نوع مسائل را مطالعه می کنند، گرفتن مخلوط مولکول ها در یک لوله آزمایش، تکان دادن آن و دیدن اتفاقاتی است که می افتد." وی گفت: "این چیزی است که تصور می شود از آن چه در سلول اتفاق می افتد بسیار دور است. فکر ما این بود: آیا می توانیم این مسئله را در زمینه بیولوژیکی خودش، که همین فرایند پیچیده خارج از تعادل است، بررسی کنیم؟"
 
مطالعه این مسئله از دیدگاه فیزیک به محققان اجازه داد تا از روش های سنتی زیست شناسی قدمی به عقب بردارند. هنینگر می گوید: "به عنوان یک زیست شناس، تهیه فرضیه های جدید، یعنی رویکردهای جدید برای درک چگونگی کارکرد کارها از داده های موجود، دشوار است." "شما می توانید غربالگری ها را انجام دهید، می توانید بازی کننده های جدید، پروتئین های جدید، وRNA های جدیدی را شناسایی کنید که ممکن است در یک فرآیند نقش داشته باشند، اما هنوز با درک کلاسیکمان از چگونگی تعامل همه این موارد محدود هستید. این در حالی است که هنگام صحبت با یک فیزیک دان، در یک فضای نظری فراتر از آن چه داده ها می توانند در حال حاضر به شما بدهند، هستید. فیزیک دانان دوست دارند با توجه به پارامترهای خاص درباره چگونگی رفتار چیزی فکر کنند. "
 
هنگامی که مدل کامل شد، محققان می توانند در مورد موقعیت هایی که ممکن است در سلول ها به وجود آیند سؤالاتی از آن بپرسند - به عنوان مثال، این که چه اتفاقی برای میعانات می افتد که RNAهای با طول مختلف با سرعت های مختلف تولید می شوند؟ - و سپس آن را با یک آزمایش در نیمکت آزمایشگاه دنبال کنند. هنینگر می گوید: "ما در نهایت با همگرایی بسیار خوبی از مدل و آزمایش به نتیجه رسیدیم." "برای من، این مانند این است که مدل به تقطیر ساده ترین ویژگی های این نوع سیستم کمک می کند، و سپس می توانید آزمایشات پیش بینی بیشتری را در سلول ها انجام دهید تا ببینید آیا با آن مدل متناسب است یا نه. "
 

مسئولیت در حال شارژ شدن است

از طریق یک سری مدل سازی و آزمایشات روی میز آزمایشگاه، محققان توانستند فرضیه خود را تأیید کنند که تأثیر RNA بر رونویسی به دلیل بار منفی مولکول های RNA است. علاوه بر این، پیش بینی شده بود که سطح اولیه پایین RNA افزایش می یابد و سطوح بالاتر بعدی، میعانات تشکیل شده توسط پروتئین های رونویسی را حل می کند. از آن جا که عملاً بار توسط ستون فقرات فسفاتRNA ها تحمل می شود، بار مؤثر یک مولکول RNA داده شده مستقیماً با طول آن متناسب است.
 
به منظور آزمایش این یافته در یک سلول زنده، محققان سلول های بنیادی جنینی موش را با داشتن میعانات درخشان مهندسی کردند، و سپس روی آنها با استفاده از یک ماده شیمیایی عمل کردند تا مرحله طولانی شدن رونویسی را مختل کنند. مطابق با پیش بینی های مدل، کمبود مولکول های RNA محلول در میعانات باعث افزایش اندازه و طول میعانات در سلول می شود. برعکس، وقتی محققان برای القای تولیدRNA های اضافی، سلول ها را مهندسی کردند، میعانات رونویسی در این مکان ها حل شدند. چاکرابورتی می گوید: "این نتایج اهمیت درک چگونگی تنظیم مکانیسم های بازخورد غیر تعادلی بر عملکرد میعانات زیستی مولکولی موجود در سلول ها را برجسته می کند."
 
تأیید این مکانیسم بازخورد ممکن است به پاسخ یک رمز و راز دیرینه ژنوم پستان داران کمک کند: هدف ازRNA های غیر کدگذاری کننده، که بخش زیادی از مواد ژنتیکی را تشکیل می دهند چیست؟. یانگ می گوید: "در حالی که ما در باره نحوه کار پروتئین ها چیزهای زیادی می دانیم، ده ها هزار گونه RNA غیر رمز گذار وجود دارد و ما از عملکرد اکثر این مولکول ها اطلاع نداریم." "این یافته که مولکول های RNA می توانند میعانات رونویسی را تنظیم کنند باعث می شود که ما ندانیم که آیا بسیاری از گونه های غیر رمزگذار فقط به صورت محلی عمل می کنند تا بیان ژن را در سراسر ژنوم تنظیم کنند یا نه. آنگاه این رمز و راز غول پیکر در مورد آنچه همه این RNA ها انجام می دهند، یک راه حل بالقوه دارد. "
 
محققان خوش بین هستند که درک این نقش جدید برای RNA در سلول می تواند درمان هایی را برای طیف وسیعی از بیماری ها برانگیزد. اوکسوز، یکی از نخستین نویسندگان، می گوید: "برخی بیماری ها در واقع به علت افزایش یا کاهش بیان یک ژن منفرد به وجود می آیند." "ما اکنون می دانیم که اگر سطح RNA را تعدیل کنیم، بر روی میعانات اثرات قابل پیش بینی دارد. بنابراین می توانید برای درمان بیماری، بیان ژن بیماری را به صورت فرضی بالا یا پایین کنید تا بیان - و احتمالاً فنوتیپ مورد نظر خود را - بازیابی کنید. "
 تأثیر RNA بر رونویسی به دلیل بار منفی مولکول های RNA است.یانگ اضافه می کند که درک عمیق تری از رفتار RNA می تواند درمانگران را به طور کلی آگاه کند. در 10 سال گذشته، انواع مختلفی از داروها تولید شده اند که مستقیماً RNA را با موفقیت هدف قرار می دهند. یانگ می گوید RNA یک هدف مهم است. "درک مکانیکی چگونگی تنظیم مولکول های RNA در بیان ژن، پلی است که بین اختلال در تنظیم ژن در بیماری و رویکردهای درمانی جدید که RNA را هدف قرار می دهد، فاصله می اندازد. "
 

نمایی در حال ظهور از رونویسی و اتصال  RNA

همچنین دانشمندان مؤسسه وایتهد دریافتند اصلاح شیمیایی در آمد و شد بین محفظه های غیر محدود به غشا که بیان ژن را کنترل می کنند، نقش دارد.
   
تصویر: قطار روی DNA بین قطرات میعانات. اعتبار تصویر: جنیفر کوک-کرایوسوس / مؤسسه وایتهد
 در 10 سال گذشته، انواع مختلفی از داروها تولید شده اند که مستقیماً RNA را با موفقیت هدف قرار می دهند.سلول ها اغلب محفظه هایی برای کنترل عملکردهای مهم بیولوژیکی ایجاد می کنند. هسته یک نمونه برجسته در این زمینه است که با غشایی احاطه شده، ژنوم را در خود جای داده است. با این وجود سلول ها محفظه هایی را نیز در خود دارند که به غشا محدود نشده و تراواتر هستند، مانند قطرات روغن در آب. طی سه سال گذشته، این قطرات (به نام "میعانات") به طور فزاینده ای به عنوان بازیگران اصلی در کنترل ژن ها شناخته شده اند. اکنون، تیمی به سرپرستی دانشمندان مؤسسه وایتهد با کشف این که این میعانات در پیوند زنی، که فعالیت مهمی است که تضمین می کند کد ژنتیکی برای تبدیل به پروتئین ترجمه شود، نقش دارند، به گسترش این تصویر نو ظهور کمک کرده است. محققان همچنین نحوه حرکت یک قطعه مهم از ماشین آلات سلولی را بین میعانات مختلف نشان می دهند. یافته های این تیم در ورژن آنلاین Nature منتشر شده است.
 
ریچارد یانگ، نویسنده ارشد، و عضو مؤسسه وایتهد و استاد زیست شناسی درMIT ، می گوید: "میعانات گازی تغییر واقعی پارادایم را در تفکر زیست شناسان مولکولی در مورد کنترل ژن نشان می دهند." "اکنون، ما یک لایه حیاتی جدید به این تفکر اضافه کرده ایم که درک ما را از پیوند زنی و همچنین دستگاه اصلی رونویسی RNA پلیمراز II افزایش می دهد. "
 
آزمایشگاه یانگ در مطالعه چگونگی و زمان تشکیل میعانات و همچنین عملکرد آنها در تنظیم ژن پیشتاز بوده است. در مطالعه حاضر، یانگ و همکارانش، از جمله اریک گوو و جان مانتیگا، نویسندگان اول، تلاش خود را بر روی انتقال اساسی که در صورت رونویسی ژن ها اتفاق می افتد متمرکز کردند - که این یک مرحله اولیه در فعال سازی ژن است که به موجب آن یک نسخه RNA از قالب DNA ژن ها ایجاد می شود. اول، تمام ماشین آلات مولکولی مورد نیاز برای ساختRNA ، از جمله یک مجموعه پروتئینی بزرگ معروف به RNA پلیمرازII ، در یک ژن مشخص جمع می شود. سپس، اصلاحات شیمیایی خاص RNA پلیمراز II به آن اجازه می دهد تا رونویسی DNA به RNA را آغاز کند. این تغییر از به اصطلاح شروع رونویسی به رونویسی فعال همچنین شامل یک انتقال مولکولی مهم دیگر نیز می شود: با شروع رشد مولکول هایRNA ، دستگاه پیوند زنی نیز باید به کار خود ادامه دهد و کار خود را انجام دهد.
 
یانگ توضیح می دهد: "ما می خواستیم عقب برویم و بپرسیم آیا میعانات در این سوئیچ نقش مهمی دارند و اگر چنین است، چه مکانیزمی می تواند مسئول باشد؟ "
 
تقریباً برای مدت سه دهه است که تشخیص داده شده است که فاکتورهای مورد نیاز برای پیوند زنی در محفظه هایی به نام لکه ذخیره می شوند. هنوز مشخص نیست که آیا این لکه ها نقش مؤثری در پیوند زنی دارند یا فقط به سادگی مخازن ذخیره سازی هستند.
 
با استفاده از میکروسکوپ کانفوکال، تیم وایتهد میعانات پر شده با اجزای سازنده ماشین آلات پیوند زنی را در مجاورت ژن های بسیار فعال کشف کردند. قابل توجه است که این ساختارها ویژگی هایی مشابه با مایع را با میعاناتی که در مطالعات قبلی آزمایشگاه یانگ توصیف شده و در شروع رونویسی نقش دارند، به نمایش گذاشته اند.
 
مانتیگا، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه یانگ گفت: "این یافته ها به ما نشان داد که در این جا دو نوع میعانات وجود دارد: یکی در شروع رونویسی و دیگری در پیوند زنی و افزایش رونویسی. "
 
با دراختیار داشتن دو تا از میعانات مختلف، محققان تعجب کردند: چگونه ماشین آلات حیاتی رونویسی، به ویژه RNA پلیمرازII ، از یکی از میعانات به ماده دیگر انتقال می یابد؟
 
Guo ، Manteiga  و همکارانشان دریافتند که اصلاح شیمیایی، به ویژه افزودن گروه های فسفاته، به عنوان نوعی کلید مولکولی عمل می کند که میل ترکیبی پروتئین برای یکی از میعانات خاص را تغییر می دهد. داشتن گروه های فسفات کمتر، با میعانات مربوط به شروع رونویسی ارتباط دارد. وقتی فسفات بیشتری اضافه می شود، وارد میعانات پیوند زنی می شود. چنین فسفوریلاسیونی در یک انتهای مجموعه پروتئین رخ می دهد، که شامل یک منطقه خاص است که به عنوان C-terminal domain (CTD)  شناخته می شود. نکته مهم این که CTD  فاقد یک ساختار خاص سه بعدی است و کارهای قبلی نشان داده است که چنین مناطق بی نظمی ذاتی می توانند بر نحوه و ترکیب پروتئین های خاص در میعانات تأثیر بگذارند.
 
گوو، فوق دکترا در آزمایشگاه یانگ، می گوید: "کاملاً مستند است که فسفوریلاسیون به عنوان سیگنالی برای کمک به تنظیم فعالیت RNA پلیمراز II عمل می کند." "اکنون ، ما نشان داده ایم که همچنین به عنوان یک سوئیچ برای تغییر اولویت پروتئین برای میعانات مختلف عمل می کند. "
 برخی بیماری ها در واقع به علت افزایش یا کاهش بیان یک ژن منفرد به وجود می آیند.محققان با توجه به اکتشافات خود، دیدگاه جدیدی از محفظه های پیوند زنی را ارائه می دهند، جایی که ذرات در اصل به عنوان انبار عمل می کنند و هزاران مولکول مورد نیاز برای پشتیبانی از دستگاه پیوند زنی را در صورت عدم نیاز ذخیره می کنند. اما هنگامی که پیوند فعال است، CTD  فسفریله شده RNA Pol II به عنوان یک جاذب عمل می کند، و مواد اتصال دهنده لازم را به سمت ژن مورد نیاز و رسوب به میعان پیوند می کشد.
 
به گفته یانگ، این چشم انداز جدید در کنترل ژن تا حدی از طریق یک رویکرد چند رشته ای پدید آمده است، و دیدگاه هایی از زیست شناسی و فیزیک را گرد هم آورده تا یاد بگیرند که چگونه خواص ماده برخی رفتارهای مولکولی را که وی و تیمش به طور تجربی مشاهده کرده اند پیش بینی می کند. یانگ می گوید: "کار در رابطه با این دو زمینه فوق العاده هیجان انگیز است." "این یک روش کاملاً جدید به ما می دهد تا به دنیای زیست شناسیِ نظارتی نگاه کنیم. "
 
حمایت از این کار توسط انستیتوهای ملی بهداشت ایالات متحده، بنیاد ملی علوم، مؤسسه تحقیقات سرطان، بنیاد تحقیقات سرطان دیمونRunyon ، صندوق های امید برای تحقیقات سرطان، شورای تحقیقات سوئد و بنیاد تحقیقات آلمان DFG  صورت گرفت.
 
منبع: اوا فردریک، نیکول دِیویس، Whitehead Institute