Jak organismy přežívající v extrémních podmínkách mění RNA a zlepšují stabilitu ribozomů
Pro přežití je nutné se přizpůsobit a to zvládli již před miliardami let jednočásticové organismy žijící při vysokých teplotách. V posledních desetiletích výzkum jejich adaptačních mechanismů vedl k revolučním technologiím, jako je rychlé kopírování DNA (PCR), výroba tepelně odolných proteinů a dokonce i produkce paliv a chemikálií. Mezi nejpůsobivější patří hypertermofilové – organismy, jejichž domovem jsou sopky, podvodní sopečné praskliny a horké prameny, kde teplota přesahuje 80 stupňů Celsia.
Nová výzkumná metoda vyvinutá vědci z Weizmannova institutu vědy odhalila, jak hypertermofilové přestavují molekuly RNA v jádru ribozomu – továrny na výrobu buněčných proteinů – aby přežili při vysokých teplotách. Výsledky z laboratoře profesora Šargy Schwarze, publikované v časopise Cell, zpochybňují představu, že základní procesy života jsou jednotné napříč druhy a během života. Tyto poznatky by mohly umožnit zlepšení lékařských a průmyslových technologií založených na RNA a umožnit částečné rozluštění dlouholetého tajemství z oblasti vývoje léků.
Ribozom je jednou z nejstarších a nejzákladnějších biologických struktur a je společný všem životním říším – archeím, bakteriím a eukaryotům. Před více než 60 lety bylo zjištěno, že ribozomální RNA podléhá „úpravě“ chemickým modifikacím po svém vzniku v buňce. Nicméně pro obtížnost měření těchto změn nebylo známo, do jaké míry se liší mezi druhy nebo v závislosti na podmínkách prostředí.
„Až dosud, zejména na základě výzkumů na kvasinkách a lidech, se předpokládalo, že úpravy RNA jsou jednotné v ribozomech různých jedinců ze stejného druhu a nemění se v závislosti na prostředí,“ vysvětluje profesor Schwarze z Oddělení molekulární genetiky. „V posledních letech však shromáždily důkazy v několika druzích naznačující, že úpravy mohou být někdy dynamické a umožnit přizpůsobení struktury ribozomu prostředí. Obtíž provedeni rozsáhlého výzkumu k ověření této teorie pramenila z velkého počtu typů oprav, obtížnosti jejich identifikace a omezení stávajících metod, které obvykle umožňovaly zkoumat pouze jeden typ opravy v jedné vzorku najednou.“
Nová metoda, kterou vyvinul tým profesora Schwarze vedený doktorem Miguelem A. Garcíou Camposem, umožňuje současné testování 16 různých typů úprav v desítkách RNA vzorků, což posouvá výzkum úprav RNA dopředu. Díky ní vědci poprvé mapovali úpravy v 10 druzích jednočlánkových organismů a porovnali je se čtyřmi dříve zkoumanými. Zvolili zejména druhy, které přežívají v extrémních podmínkách prostředí, včetně tří hypertermofilních druhů, s myšlenkou, že pokud ribozom má mechanismus pro přizpůsobení se prostředí, najde se u nich.
„Zatímco většina bakterií a archeí má jen desítky drobných modifikací ribozomální RNA, mezi hypertermofilními druhy jsme našli stovky úprav,“ popisuje profesor Schwarze. „Ve skutečnosti se ukázalo, že čím teplejší je přirozené prostředí organismu, tím více úprav provádí.“
Poté, co vědci zjistili rozdíly mezi druhy s různými stanovišti, zkoumali, zda je schopen stejný druh upravit svou ribozomální RNA – a tím změnit strukturu ribozomu – v závislosti na změnách prostředí během svého života. K tomu byly různé druhy pěstovány v třech až pěti různých podmínkách prostředí. U jednočlánkových organismů žijících při běžných teplotách byly většiny úprav konstantní a nezávislé na podmínkách pěstování. Naopak skoro polovina modifikací u hypertermofilů byla dynamická a probíhala v mnoha místech molekul RNA, čímž se zvyšovala teplota. Vědci z toho usoudili, že změny ve struktuře ribozomu nejsou jen možné – jsou důležitým adaptačním mechanismem.
Vědci identifikovali tři typy změn, které se systematicky a široce zvyšovaly s vyšší teplotou. „Zvláště překvapivý objev byl, že jedna z těchto úprav – přidání methylové skupiny – se objevila u hypertermofilních druhů téměř vždy s další úpravou – přidáním acetylové skupiny,“ říká profesor Schwarze. „To naznačuje, že tyto úpravy fungují společně. Spojili jsme se s týmem profesora Sebastiana Glatta z Jagellonské univerzity v Krakově a zkoumali jsme stabilitu molekuly RNA bez přídavků, po přidání jedné chemické skupiny, methylu nebo acetylu, a po přidání obou. Jak methylace, tak acetylace měly stabilizační efekt na RNA, ale když spolupracovaly, celek převyšoval součet jeho částí.“
To, co dosud nebylo jasné, bylo, jak úpravy mění strukturu ribozomu. Aby to vědci zjistili, spojili se s týmem profesorky Morana Šalova Ben-Ami z Oddělení strukturální a chemické biologie institutu, který provedl elektronovou mikroskopii jednotlivých částic při hlubokém zmrazení (cryo-EM) a mapoval ribozom hypertermofila. Vědci mapovali strukturu ve dvou stavech – když enzym provádějící methylaci byl aktivní při vysokých teplotách a když byl utlumen. Zjistili, že methylové skupiny přidávané při vysokých teplotách se rozprostírají po celém ribozomu a vytvářejí různé slabé vazby s okolními molekulami, což přispívá k posílení struktury. Také identifikovali, že v oblastech, kde proběhly úpravy, je méně otvorů v ribozomu, takže „díry“ ve struktuře se zaplnily.
Nové poznatky odhalují sofistikovaný mechanismus, v rámci kterého mohou jemné chemické změny v molekule RNA významně zlepšit její strukturální stabilitu a umožnit jí fungovat v proměnlivém prostředí. Tím poskytují možná řešení pro záhadu „magického methylu“ – nevysvětlitelného zlepšení více než 100krát v účinnosti některých léků, které bylo pozorováno při přidání methylové skupiny.
„Dnes se ukazuje, že alespoň některé změny úprav podél molekuly RNA – jako methylace a acetylace – nejsou izolované od sebe, a že bychom měli zkusit je dešifrovat jako kontinuální kód,“ říká profesor Schwarze. „Náš výzkum o ribozomální RNA přispívá k pochopení vztahu mezi různými změnami úprav a metoda, kterou jsme vyvinuli, má potenciál urychlit a rozšířit výzkum mnoha typů změn a nových druhů.“
„Dnes existuje mnoho RNA-založených technologií na trhu nebo ve vývoji – od vakcín proti pandemiím přes testování a léčbu rakoviny až po nástroje pro provádění genetických úprav v biotechnologii a medicíně,“ dodává. „Přirozený proces úprav RNA prošel miliardami let zlepšování a odhalení jeho tajemství by mohlo umožnit vývoj spolehlivějších a efektivnějších RNA-založených technologií.“
