Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny otrzymali w roku 2024 Victor Ambros z Uniwersytetu Massachusetts i Gary Ruvkun z Uniwersytetu Harvarda za „odkrycie mikro RNA i jego roli w post-transkrypcyjnej regulacji ekspresji genów”. Tu ciekawostka polonijna: ojciec Victora, Longin Bohdan Ambros, urodził się w roku 1923 w Polsce we wsi Dardziszki (powiat Oszmiana, województwo wileńskie, obecnie Białoruś). Osierocony w wieku 8 lat, otrzymał stypendium dla zdolnych dzieci, dzięki któremu mógł podjąć naukę w gimnazjum w Wilnie. Ale uczył się tam tylko rok, bo wybuchła wojna, a on, uciekając przed armią radziecką wpadł w ręce Niemców, którzy zmusili go do pracy w przemyśle zbrojeniowym. Uwolniony przez Amerykanów, pomagał amerykańskim oficerom w sztabie, który znajdował się w rezydencji bogatego Niemca. Była tam duża biblioteka, która umożliwiła mu kontynuowanie edukacji, w tym naukę obcych języków (w sumie znał ich 5). Po wojnie służył w armii amerykańskiej, a obywatelstwo otrzymał w 1953 r. Prowadził farmę w stanie Vermont i miał ośmioro dzieci. Jednym z nich był Victor, pierwszy uczony w rodzinie. Opowiada o tym (a także o swoich odkryciach) w bardzo ciekawym wywiadzie, który przeprowadziła Jane Gitschier dla czasopisma PLOS Genetics.

Nagroda Nobla 2006: interferencja RNA

Nagroda Nobla dla Ambrosa i Ruvkuna nie jest jednak pierwszą nagrodą za odkrycie regulacji genów przez małe cząsteczki RNA. W roku 2006 Andrew Fire z Uniwersytetu Stanforda i Craig Mello z Uniwersytetu Massachusetts otrzymali Nagrodę Nobla za „odkrycie interferencji RNA – wyciszania genów przez dwuniciowe RNA”. Mamy więc dwie nagrody Nobla za odkrycie podobnych zjawisk. Ale czym jest regulacja ekspresji genów i dlaczego ten proces jest tak ważny?

Regulacja ekspresji genów

Komórki różnych tkanek zawierają ten sam zestaw genów, ale tylko niektóre z tych genów ulegają ekspresji (czyli kodowane przez nie białko zostaje wyprodukowane) w danym miejscu i czasie. Jest to sprawa wielkiej wagi, bo każdy rodzaj komórki wymaga obecności ściśle określonych białek kodowanych przez ściśle określone geny, musi więc być precyzyjnie regulowany. Proces ten nazywamy regulacją ekspresji genów (Ryc. 1). Pierwszym jej etapem jest związanie enzymu syntezującego RNA, czyli polimerazy RNA, do elementów regulatorowych genu. Może to mieć miejsce tylko w obecności białek zwanych czynnikami transkrypcyjnymi, które swoiście rozpoznają sekwencje DNA w elementach regulatorowych genu. Współdziałanie tych białek i polimerazy RNA sprawiają, że powstaje mRNA (które przeważnie później zostanie „przepisane” na białko). Można zapytać: czy powstanie mRNA równa się powstaniu białka? Niekoniecznie. Mechanizmy takiej regulacji ekspresji genów zostały opisane przez laureatów Nagród Nobla z 2006 i 2024 r.

Ryc. 1. Przepływ informacji genetycznej od DNA do białka. Według: Nobel Foundation, Licencja CC BY 4.0.

Co to jest mikroRNA?

Victor Ambros i Gary Ruvkun badali wpływ mutacji genów u niepasożytniczego nicienia Caenorhabditis elegans, który pomimo małych rozmiarów (1 mm długości) ma podobną liczbę genów jak człowiek (ok. 20 000) oraz podobnie zróżnicowane typy komórek. Stanowi więc doskonały organizm modelowy w badaniach nad ekspresją genów oraz ich regulacji. W latach 80 ubiegłego wieku obaj badacze zajmowali się mutantami C. elegans o nazwach lin-4 i lin-14, które wykazywały pewne defekty budowy ciała. Odkryli, że powoduje je mutacja w genie lin-14. Gen ten koduje czynnik transkrypcyjny odpowiedzialny za rozluźnianie chromatyny, czyli sposobu, w jaki DNA jest zorganizowane w jądrze komórkowym. Produkcja białka lin-4 była jednak w tajemniczy sposób regulowana przez produkt genu lin-14, który nie kodował żadnego białka. Jego sekwencja odpowiadała jedynie małemu fragmentowi RNA. Okazało się, że ten mały fragment RNA ma sekwencję komplementarną do mRNA kodującego białko lin-4 i jest w stanie zahamować produkcję tego białka (Ryc. 2). Opisali to zjawisko w artykułach opublikowanych w tym samym numerze prestiżowego czasopisma Cell w 1993 r. Było to coś całkowicie nowego w naukach przyrodniczych i może właśnie dlatego publikacje te nie zwróciły początkowo niczyjej uwagi (czyli, jak się pisze teraz w recenzjach doktoratów i habilitacji, ich cytowalność była słaba).

Ryc. 2. Role genów lin-4 (matryca dla mikroRNA) i lin-149 (koduje białko) w rozwoju C. elegans. Gen lin-14 koduje białko związane z organizacją chromatyny. Gen lin-4 koduje małą cząsteczkę RNA, która jest częściowo komplementarna do mRNA kodującego białko lin-14. Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

Wszystko zmieniło się w r. 2000, kiedy zespół Ruvkuna opisał inną małą cząsteczkę RNA o nazwie let-7, która również hamuje ekspresję genów kodujących białka związane z modelowaniem chromatyny. Co ważne, homologi (czyli odpowiedniki) tego genu znaleziono u wszystkich przebadanych gatunków, w tym u człowieka (Ryc. 3). Znaczyło to, że ten rodzaj regulacji ekspresji genów nie jest wyłączną cechą C. elegans, ale występuje u większości organizmów. Ten artykuł spotkał się z wielkim zainteresowaniem. W krótkim czasie odkryto kilkaset rodzajów cząsteczek RNA o takich samych właściwościach, które nazwano mikroRNA. Okazało się, że geny, w których sekwencje są zapisane, są obecne w genomach większości znanych organizmów. Jedną z niewielu grup, u której ich nie ma, są żebropławy (Ctenophora). Ostatnio było o nich głośno z powodu znalezienia u nich jedynego w swoim rodzaju układu nerwowego.

Ryc. 3.  Geny lin-4 i lin-7 w różnych organizmach. Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

Interferencja RNA

Dobrze, a co z interferencją RNA, opisaną u C. elegans przez Andrew Fire and Craiga Mello w 1989 r., za którą dostali Nagrodę Nobla w 2006 r.? Przedmiotem ich badań był gen unc-22 kodujący białko wpływające na strukturę mięśni tych nicieni, a tym samym na ich zdolność do poruszania się. Wstrzyknięcie krótkich jednoniciowych fragmentów RNA komplementarnych do sekwencji tego genu do gonad nicieni nie miało wpływu na ich zdolność do poruszania się, niezależnie od tego, czy fragmenty te były komplementarne do mRNA (tzw. antysenensowne RNA), czy też miały taką samą sekwencję (sensowne RNA). Jeżeli jednak wstrzyknięto krótki fragment dwuniciowego RNA, nicienie traciły zdolność do sprawnego poruszania, co objawiało się skurczami (Ryc. 4). Miały one miejsce także u potomstwa nicieni, którym wstrzyknięto cząsteczki RNA. Autorzy sugerowali, że taki dwuniciowy fragment RNA może zahamować ekspresję genu, a mechanizm tego zjawiska może być zbliżony do degradacji dwuniciowych fragmentów RNA pochodzących z wirusów. Nazwali go interferencją RNA, a małe cząsteczki RNA, które ten mechanizm uruchamiają – siRNA (short interfering RNA, czyli krótkie interferujące RNA).

Ryc. 4. Jak dwuniciowe DNA wpływa na ekspresję genu u C. elegans (eksperyment Fire and Mello). Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

siRNA i mikroRNA

Jak siRNA ma się do mikroRNA? Są to w zasadzie dwa oblicza tego samego zjawiska, czyli regulacji ekspresji genów na poziomie mRNA. Prekursorami obu cząsteczek są dwuniciowe cząsteczki RNA, przy czym siRNA powstaje z dłuższych cząsteczek. siRNA pochodzi raczej spoza komórki (przeważnie z wirusów RNA, ale może też być produktem transpozonu, czyli genu który może przemieszczać się na inną pozycję w genomie tej samej komórki). Sekwencja mikroRNA jest zapisana w genomie komórkowym. Wstępna obróbka tych cząsteczek przebiega jednak w podobny sposób. MikroRNA powstaje w jądrze komórkowym, gdzie jest wstępnie degradowane przez enzym o nazwie Drosha (jego partnerem jest Pasha). Po eksporcie z jądra do cytoplazmy przez białko o nazwie eksportyna 5, mikroRNA ulega degradacji przez enzym o nazwie Dicer (po angielsku: kostkarka do lodu) na krótkie dwuniciowe fragmenty. Podobny mechanizm zachodzi w przypadku siRNA, z tym że ono pojawia się od razu w cytoplazmie (np. w wyniku wstrzyknięcia). Następnie kompleks białek o nazwie RISC (RNA-induced silencing complex, kompleks wyciszający indukowany przez RNA) we współpracy z białkiem Argonaut usuwa jedną z nici RNA. Pozostaje tylko nić komplementarna do docelowego mRNA. W przypadku siRNA komplementarność jest 100-procentowa i takie fragmenty mRNA są degradowane przez nukleazy swoiste wobec dwuniciowego RNA. Jeżeli komplementarność nie jest jednak stuprocentowa (a przeważnie taką właściwość mają cząsteczki mikroRNA), to taki dwuniciowy fragment RNA hamuje translację uniemożliwiając rybosomowi przesuwanie się po nici mRNA (Ryc. 5).

Ryc. 5. Mechanizm działania siRNA i mikroRNA. RISC: kompleks wyciszający indukowany przez RNA, AGO: białko Argonaut. Według: Lam J.K.W. et al., Mol. Ther. Nucl. Acid 2015, 4:e252. Licencja CC BY 4.0.

Do czego służą siRNA i mikroRNA w komórce? siRNA to głównie obrona przed obcym RNA, przede wszystkim wirusowym. MikroRNA to przede wszystkim regulator ekspresji genów. Mechanizm ich działania jest jednak podobny i opiera się na wykorzystaniu tych samych enzymów.

Podobieństwa i różnice między mikroRNA i siRNA pokazałem w poniższej tabeli.

Tak więc różnica między mikroRNA i siRNA jest niewielka i w zasadzie dotyczy tylko podobieństwa sekwencji między małym RNA i fragmentem mRNA. Zarówno mikroRNA, jak i siRNA to małe cząsteczki RNA wykazujące podobną (mikroRNA) lub identyczną (siRNA) sekwencję wobec sekwencji mRNA (a więc i genów), których ekspresję mają hamować. Dlatego siRNA może hamować ekspresję tylko jednego genu, a mikroRNA wielu (nawet 100). Oba rodzaje cząsteczek mogą wywoływać zjawisko interferencji RNA. Można więc powiedzieć, że Fire i Mello odkryli zjawisko interferencji RNA, a Ambros i Ravkun (na 6 lat przed nimi) cząsteczki RNA, które mogą to zjawisko wywoływać. Co ciekawe, Fire i Mello w swojej publikacji z 1998 r. nie powołali się na prace Ambrosa i Ravkuna, mimo że pracowali na tym samym organizmie (C. elegans).

Czy interferencja RNA może być podstawą terapii?

Odkrycie zjawiska interferencji RNA wzbudziło wielkie nadzieje na otrzymanie nowych leków opartych na tym mechanizmie, a firmy farmaceutyczne zainwestowały duże środki w badania nad siRNA. Okazało się jednak, że nie jest to wcale takie proste. Pierwszym i zasadniczym problemem jest dostarczenie RNA do komórki. Cząsteczki RNA są nietrwałe, ponieważ łatwo ulegają degradacje przez wszechobecne RNAzy, czyli enzymy degradujące RNA. Nie można zatem po prostu zrobić zastrzyku z RNA: potrzebny jest specjalny system dostarczający jego cząsteczki do komórek. Ponadto, obce RNA może też spowodować uruchomienie odpowiedzi odpornościowej, podobnie jak to ma miejsce w przypadku infekcji wirusowych (a także szczepionek zawierających mRNA, jak np. szczepionka na COVID-19). Zauważono też, że większość RNA dostarczonego do organizmu trafia do wątroby, tak więc terapia chorób wątroby za pomocą siRNA wydaje się mieć największe szanse powodzenia. Istnieje już kilka leków opartych o technologię siRNA, które wykazują dużą skuteczność w terapiach rzadkich chorób genetycznych. Jedną z nich jest rodzinna polineuropatia amyloidowa, znana też jako choroba Corino de Andrade. Jej przyczyną są mutacje w genie TTR, który koduje transtyretinę. Białko to transportuje hormony tyroksynę (T4) z tarczycy (gdzie powstaje) do wątroby. Mutacja powoduje, że białko to tworzy agregaty, które gromadzą się w neuronach powodując nieodwracalne uszkodzenie tkanki nerwowej. Objawy (bóle, mrowienie, drętwienie kończyn, a z czasem utrata koordynacji ruchów i paraliż) pojawiają się w wieku 20-40 lat, a pacjenci umierają średnio 10 lat później. Zatwierdzony w 2018 r. lek o nazwie patisiran (Onpattro) to siRNA komplementarne wobec genu TTR, podawane dożylnie w postaci nanocząstek lipidowych. Ok. 1000 ludzi na całym świecie dotkniętych tą chorobą poddano leczeniu i u większości objawy ustąpiły.

Innym lekiem opartym o technologię siRNA jest Givlaari (givosiran), który w 2019 r. został zatwierdzony w leczeniu porfirii. Choroba ta polega na gromadzeniu się porfiryny, cyklicznej cząsteczki będącej prekursorem hemu. Lek ten obniża ekspresję genu ALAS1, który koduje syntazę kwasu δ-aminolewulinowego. Nadmierna produkcja tego enzymu jest przyczyną choroby.

Ciekawym zastosowaniem technologii siRNA jest Fitusiran, obecnie w trzeciej fazie badań klinicznych. Jest to małe dwuniciowe RNA o sekwencji komplementarnej do genu SERPINC1, który koduje antytrombinę. Białko to jest inhibitorem krzepnięcia, a więc obniżenie jego poziomu polepsza parametry krzepnięcia u osób chorych na hemofilię. Jest więc nadzieja, że chorzy na tę chorobę nie będą musieli wstrzykiwać sobie czynników krzepnięcia, tak jak ma to miejsce teraz.

Jest jeszcze kilka innych zastosowań technologii siRNA w medycynie, ale na razie liczba ta nie jest imponująca. Dlaczego? O ile samo hamowanie genów za pomocą siRNA jest dość proste, to dostarczanie cząsteczek siRNA do organizmu łączy się z wieloma problemami (które wymieniłem). Ale skoro szczepionki mRNA przeciw wirusowi COVID-19 okazały się takim sukcesem, to może i technologia siRNA się rozwinie?

mikroRNA w terapii celowanej

Uważa się, że ludzki genom może zawierać nawet 2600 genów kodujących mikroRNA, z czego dobrze poznanych jest ok. 500. Uważa się, że mogą one kontrolować ekspresję nawet 60% genów, tak więc mutacja w jednym genie kodującym mikroRNA może spowodować, że ekspresja wielu genów ulegnie zmianie. Związki miedzy mikroRNA i kontrolowanymi przez nie genami nie są jednak jeszcze dobrze poznane. Wiadomo np., że mutacje w genie kodującym mikroRNA-96 (miR-96) mogą być przyczyną dziedzicznej głuchoty, a mutacje w miR-184 – dziedzicznej zaćmy. Teoretycznie więc „poprawa” działania tych mikroRNA mogłaby służyć jako terapia w leczeniu tych chorób. Badania w tym kierunku są prowadzone, ale największe nadzieje wiążą się z leczeniem chorób nowotworowych, bo w licznych nowotworach mikroRNA nie działa we właściwy sposób. Takie cząsteczki mikroRNA, których powstaje zbyt dużo lub zbyt mało, mogą wpływać na ekspresję genów kodujących białka związane z nowotworzeniem. Nazywane onkomirami (oncomirs), mogą tę ekspresję hamować lub przyspieszać. Schemat ich działania pokazałem na Ryc. 6, a swoistość poszczególnych mikroRNA na Ryc. 7.

Ryc. 6. Jak mikroRNA może wpływać na cechy nowotworów. Według: Menon A. et al., Int. J. Mol. Sci. 2022, 23:11502. Licencja CC BY 4.0.

Ryc. 7. Wpływ niektórych mikroRNA na powstawanie nowotworów. Według: Menon A. et al., Int. J. Mol. Sci. 2022, 23:11502. Licencja CC BY 4.0.

Można sobie wyobrazić, że wpływając na syntezę mikroRNA będzie można zahamować rozwój nowotworu, a nawet zupełnie go unieszkodliwić. Niestety, mamy tu ten problem, co w przypadku siRNA. Obecnie ma miejsce wiele prób klinicznych leków opartych o mikroRNA, ale żadna z nich jak dotąd nie zakończyła się sukcesem. Przyczyny są te same: problemy z dostarczeniem RNA do komórek, reakcje obronne organizmu, albo brak wystarczającego zahamowania ekspresji danego genu.

Podsumowanie

Laureaci Nagród Nobla z lat 2006 i 2024 odkryli w zasadzie to samo zjawisko: krótkie cząsteczki RNA wpływają na aktywność mRNA, hamując tym samym ekspresję genu. Jest jeden warunek: sekwencja takiej krótkiej cząsteczki RNA musi być taka sama, jak sekwencja mRNA (albo bardzo podobna). Tworzy się wtedy dwuniciowe RNA, które ulega degradacji przez specjalne enzymy o których pisałem.

A skąd biorą się te krótkie cząsteczki RNA? Mogą być zapisane w genomie i działać jako „regulatory” ekspresji genów. Nazywamy się wtedy mikroRNA. A mogą też pochodzić spoza komórki, na przykład z wirusów, lub powstawać w wyniku transkrypcji transpozonów. W obu przypadkach, jeżeli sekwencje „krótkiego” i „długiego” RNA (czyli mRNA) są wystarczająco podobne, to powstanie dwuniciowe RNA. I takie RNA ulegnie degradacji.

Praktyczne wykorzystanie tych odkryć w leczeniu chorób jest całkiem możliwe, ale na razie tworzy wiele problemów technicznych. Miejmy nadzieję, że uda się je pokonać.

Literatura dodatkowa

Wywiad z Victorem Ambrosem

https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1000853

Odkrycie micro RNA

https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y

https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90530-4

Odkrycie siRNA

https://www.nature.com/articles/35888

Podobieństwa i różnice między siRNA i mikroRNA

https://doi.org/10.1038/mtna.2015.23

Rola mikroRNA w rozwoju nowotworów

https://www.termedia.pl/Role-of-microRNA-in-pathogenesis-diagnostics-and-therapy-of-cancer,3,6895,1,1.html