Το βραβείο Nobel Φυσιολογίας και Ιατρικής για το 2024 απονέμεται από κοινού στους Victor Ambros και Gary Ruvkun για την ανακάλυψη του microRNA και του ρόλου του στη μετα-μεταγραφική ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης.
Σε μια προσπάθεια απλοποίησης, θα μπορούσαμε να παρομοιάσουμε το DNA με εγχειρίδιο οδηγιών ξεχωριστό και μοναδικό για κάθε οργανισμό. Οι πληροφορίες που καταγράφονται σε αυτό με τη μορφή γονιδίων αφορούν στο σχηματισμό πρωτεϊνών απαραίτητων για τη δομή και λειτουργία των κυττάρων.
Η γενετική πληροφορία που είναι αποθηκευμένη στο DNA αποτυπώνεται σε ένα ενδιάμεσο μόριο, το αγγελιαφόρο RNA (mRNA) μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μεταγραφή. Στη συνέχεια μεταφέρεται στα ριβοσώματα, την κυτταρική μηχανή για την παραγωγή πρωτεϊνών. Εκεί, το mRNA μεταφράζεται ώστε να σχηματισθεί μια ειδική πρωτεΐνη που αποτελεί και το τελικό προϊόν της παραπάνω διαδικασίας.
© The Nobel Committee for Physiology or Medicin
Και ενώ το σύνολο των κυττάρων ενός οργανισμού φέρει το ίδιο ακριβώς γενετικό υλικό, κάθε οργανισμός απαρτίζεται από διαφορετικούς τύπους κυττάρων με πολύ ποικίλα χαρακτηριστικά.
Πώς προκύπτουν όμως αλήθεια αυτές οι διαφορές; Τι είναι αυτό που οδηγεί ορισμένα κύτταρα να εξειδικεύονται για παράδειγμα ως μυϊκά, νευρικά ή ηπατικά τροποποιώντας όχι μόνο τη μορφολογία αλλά και τη λειτουργικότητά τους;
Η απάντηση στη διαφοροποίηση των κυττάρων, όπως λέγεται αυτή η διαδικασία, βρίσκεται στη ρύθμιση της λειτουργίας των γονιδίων. Σε κάθε κύτταρο επιλέγεται και ενεργοποιείται συγκεκριμένη ομάδα γονιδίων και με τον τρόπο αυτό αξιοποιείται ένα μόνο μέρος από το σύνολο των διαθέσιμων γενετικών πληροφοριών.
Σημειώνεται ότι η διαταραχή της ρύθμισης της έκφρασης των γονιδίων μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές ασθένειες, όπως ο καρκίνος, ο διαβήτης ή οι αυτοάνοσες διαταραχές. Η κατανόηση της ρύθμισης της γονιδιακής δραστηριότητας αποτελεί, για το λόγο αυτό, εδώ και πολλές δεκαετίες έναν σημαντικό στόχο.
Στη δεκαετία του 1960, αποδείχθηκε ότι εξειδικευμένες πρωτεΐνες, γνωστές ως μεταγραφικοί παράγοντες έχουν την ιδιότητα να δεσμεύονται σε συγκεκριμένες θέσεις του DNA και να ελέγχουν τη ροή της γενετικής πληροφορίας, καθορίζοντας ποια μόρια mRNA παράγονται. Έκτοτε χιλιάδες μεταγραφικοί παράγοντες αναγνωρίστηκαν και για μεγάλο χρονικό διάστημα η κοινή επιστημονική πεποίθηση ήταν ότι το θέμα των βασικών αρχών της ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης είχε ήδη επιλυθεί…
… Μέχρι που το 1993 οι φετινοί νικητές του βραβείου Nobel δημοσίευσαν μια σειρά απροσδόκητων ευρημάτων περιγράφοντας ένα νέο επίπεδο ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης τόσο σημαντικού ώστε να έχει διατηρηθεί στη πορεία της εξέλιξης και να αφορά ακόμα και τους πιο πολύπλοκους πολυκύτταρους οργανισμούς όπως ο άνθρωπος.
Οι Victor Ambros και Gary Ruvkun, στα τέλη της δεκαετίας του 1980 εργάζονταν ως ερευνητές στο εργαστήριο του Robert Horvitz (βραβείο Nobel, 2002). Επικεντρώθηκαν στη μελέτη του Caenorhabditis elegans (Καινοραβδίτης ο κομψός), ενός διαφανούς σκώληκα, με μήκος μόλις 1mm που ζει σε εύκρατα εδάφη.
Παρά το μικρό του μέγεθος το C. elegans αποτελείται από πολλά διαφορετικά είδη κυττάρων, όπως νευρικά και μυϊκά, που κατά κανόνα απαντώνται σε πολυπλοκότερους οργανισμούς. Οι επιστήμονες επικεντρώθηκαν στη μελέτη γονιδίων που ρυθμίζουν το χρονισμό της κυτταρικής διαφοροποίησης. Το γονιδιακό μηχανισμό δηλαδή που καθορίζει το πότε ακριβώς θα αναπτυχθούν οι διαφορετικοί τύποι των ειδικών κυττάρων. Για να το πετύχουν αυτό αξιοποίησαν δύο τύπους του C. elegans που έφεραν μεταλλάξεις (lin-4 και lin-14) και παρουσίαζαν διαταραχές στη συγκεκριμένη διαδικασία.
Σττα πλαίσια παλαιότερης ερευνητικής εργασίας του Ambros είχε διαπιστωθεί ότι το γονίδιο lin-4 λειτουργούσε ως ρυθμιστής της λειτουργίας του γονιδίου lin-14 εμποδίζοντάς την. Ο ακριβής μηχανισμός όμως της διαδικασίας αυτής ήταν ακόμα άγνωστος.
Στην ακόλουθη εργασιακή του έδρα, στα εργαστήρια του πανεπιστημίου του Harvard, ο Victor Ambros συνεχίζοντας τη μελέτη του διαπίστωσε ότι η λειτουργία του γονιδίου lin-4 είχε ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός ασυνήθιστα μικρού μορίου RNA που δεν περιείχε κώδικα σχηματισμού πρωτεΐνης. Τα στοιχεία πλέον μπορούσαν να υποστηρίξουν ότι το μικρό αυτό μόριο ήταν υπεύθυνο για την αναστολή του γονιδίου lin-14.
Ταυτόχρονα ο Gary Ruvkun με έδρα πλέον στα εργαστήρια Massachusetts General Hospital and Harvard Medical School μελετούσε τη ρύθμιση της λειτουργίας του γονιδίου lin-14. Ο Ruvkun διαπίστωσε ότι το γονίδιο lin-4 δεν εμπόδιζε το σχηματισμό mRNA από το γονίδιο lin-14, αλλά διέκοπτε σε ακόλουθο στάδιο τη διαδικασία παραγωγής της πρωτεΐνης. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποκάλυψαν την ύπαρξη ενός τμήματος στο mRNA που προέκυπτε από το γονίδιο lin-14 που ήταν απαραίτητο για να προκληθεί η αναστολή λειτουργίας του από το lin-4.
Στο σημείο αυτό οι Ambros and Ruvkun συνδύασαν τα ευρήματά τους. Μέσω της ακόλουθης ερευνητικής τους συνεργασίας επιβεβαίωσαν ότι το μικροσκοπικό μόριο RNA που προκύπτει από το γονίδιο lin-4 διακόπτει τη διαδικασία παραγωγής πρωτεΐνης από το γονίδιο lin-14 μέσω της σύνδεσής του στις συμπληρωματικές αλληλουχίες του mRNA του τελευταίου.
Το microRNA που προκύπτει από το γονίδιο lin-4 συνδέεται στο mRNA που σχηματίζεται από το lin-14 αναχαιτίζοντας το σχηματισμό πρωτεΐνης από αυτό. © The Nobel Committee for Physiology or Medicin
Μια νέα μορφή ρύθμισης γονιδιακής έκφρασης, και μάλιστα με τη συμμετοχή μιας άγνωστης μέχρι τότε μορφής RNA, του microRNA είχε ανακαλυφθεί!
Τα αποτελέσματα ανακοινώθηκαν το 1993 σε δύο άρθρα στο περιοδικό Cell. Τα ευρήματα πέρασαν σχεδόν απαρατήρητα από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Αν και ενδιαφέροντα, τα αποτελέσματα του περίεργου αυτού μηχανισμού της ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης εκτιμήθηκαν ότι αφορούσαν συγκεκριμένα και μόνο το C. elegans και θεωρήθηκαν ως ενδιαφέρουσα ιδιαιτερότητά του χωρίς όμως ισχύ για τους πιο σύνθετους οργανισμούς.
Η αντίληψη αυτή άλλαξε όταν το 2000 η ερευνητική ομάδα του Ruvkun τράβηξε την προσοχή με την ανακοίνωση της ανακάλυψης ενός άλλου μορίου microRNA κωδικοποιημένου από το γονίδιο let-7. Το συγκεκριμένο γονίδιο δεν αφορούσε πλέον μόνο στο C. elegans καθώς το let-7 παρουσιάζεται σε σημαντικό βαθμό στο ζωικό βασίλειο. Κατά τη διάρκεια των επόμενων ετών αναγνωρίσθηκαν εκατοντάδες διαφορετικά microRNAs. Πλέον γνωρίζουμε ότι η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης μέσω των microRNAs αφορά στο σύνολο των πολυκύτταρων οργανισμών, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου, και είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη και τη λειτουργία τους.
Η περαιτέρω έρευνα από πλήθος επιστημονικών ομάδων ασχολήθηκε με τους μηχανισμούς παραγωγής και μεταφοράς των microRNAs. Φάνηκε ότι η σύνδεση του microRNA οδηγεί στην αναστολή της πρωτεϊνικής σύνθεσης ή την αποδόμηση του mRNA. Επιπρόσθετα ένα microRNA μπορεί να δρα ρυθμιστικά για την έκφραση πολλαπλών γονιδίων ή ένα γονίδιο να ρυθμίζεται από πολλά διαφορετικά microRNAs.
Το γονίδιο let-7 έχει διατηρηθεί κατά την εξέλιξη των οργανισμών και υπάρχει στα κύτταρα των πολυκύτταρων οργανισμών του ζωικού βασιλείου και στον άνθρωπο. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén
Πλέον έχει γίνει εφικτή μέσω κυτταρικής μηχανικής η παραγωγή λειτουργικών microRNAs για το σχηματισμό μικρών μορίων RNA σε φυτά και ζώα. Η τεχνική έχει ήδη εφαρμοστεί για την προστασία φυτών από ιογενείς παράγοντες.
Η λειτουργία του microRNA έχει σημασία στην κατανόηση της φυσιολογίας των πολυκύτταρων οργανισμών, της ανάπτυξης και της νόσου. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Ill. Mattias Karlén
Αν και η ανακάλυψη των microRNAs από τους Ambros και Ruvkun είναι σχετικά πρόσφατη, οι μηχανισμοί στους οποίους τα μόρια αυτά συμμετέχουν είναι υπεύθυνοι για την κυτταρική διαφοροποίηση και την εξέλιξη των πολυκύτταρων οργανισμών εδώ και εκατομμύρια χρόνια. Η διαταραχή στη λειτουργία των microRNAs μπορεί να οδηγήσει σε νοσήματα όπως ο καρκίνος, ενώ μεταλλάξεις γονιδίων που κωδικοποιούν microRNAs έχουν διαπιστωθεί ως υπεύθυνες για συγγενή κώφωση, οφθαλμικές και σκελετικές ανωμαλίες. Η ουσιαστική κατανόηση των υποκείμενων μηχανισμών της ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης έχουμε κάθε λόγο να πιστεύουμε ότι μπορεί να οδηγήσει σε νέες και επαναστατικές μορφές πρόληψης και θεραπείας.
