UT Southwestern-forskere har oppdaget en mekanisme som celler bruker for å bryte ned mikroRNA (miRNA), genetiske molekyler som regulerer mengden proteiner i cellene.
Funnene, rapportert på nettet i dag i Science, kaster ikke bare lys over cellenes indre virkemåte, men kan til slutt føre til nye måter å bekjempe infeksjonssykdommer, kreft og en rekke andre helseproblemer på.
Forskere har lenge visst at gener inneholder instruksjonene for å lage hvert protein i kroppen til en organisme. Men ulike prosesser regulerer om ulike proteiner produseres og i hvilke mengder. En av disse mekanismene involverer miRNA, små biter av genetisk materiale som bryter ned komplementære deler av messenger RNA (mRNA) i cellene, og forhindrer at mRNA-sekvensen blir oversatt til proteiner.
Siden oppdagelsen av miRNA i 1993 har forskere samlet et vell av kunnskap om hundrevis av forskjellige miRNA-molekyler og deres mål, samt mekanismer som kontrollerer deres produksjon, modning og roller i utvikling, fysiologi og sykdom. Men, forklarer Joshua Mendell, M. D., Ph. D., professor og nestleder ved avdelingen for molekylærbiologi ved UTSW, og postdoktor Jaeil Han, Ph. D., svært lite var kjent om hvordan celler kvitter seg med miRNA når de er ferdig med å bruke dem.
"Så lenge miRNA-molekyler holder seg i en celle, reduserer de produksjonen av proteiner fra mål-mRNA-ene deres," forklarer Mendell, en Howard Hughes Medical Institute (HHMI)-etterforsker og medlem av Harold C. Simmons Comprehensive Cancer Center. "Så å forstå hvordan celler kvitter seg med miRNA når de ikke lenger er nødvendige er avgjørende for å fullt ut forstå hvordan og når de gjør jobben sin."
For å svare på dette spørsmålet brukte Mendell, Han og kollegene deres CRISPR-Cas9, et genredigeringsverktøy som nylig vant 2020 Nobelprisen i kjemi for to forskere som utviklet det. Ved å tjene som "molekylær saks," sier Mendell, kan dette systemet kutte ut individuelle gener, slik at forskere kan utforske funksjonene deres.
I en human kreftcellelinje kjent som K562, brukte forskerne CRISPR-Cas9 for å målrette mot de fleste av de 20 000 proteinkodende genene i det menneskelige genomet, på jakt etter alle som forårsaket et norm alt kortvarig miRNA kjent som miR-7 for å dvele i cellene. Søket deres fant minst 10 gener som trengs for å bryte ned dette miRNA.
Forskerne fant ut at proteinene som er kodet av disse genene kommer sammen i celler for å danne en større samling kjent som en ubiquitin-ligase, som fungerer for å merke andre proteiner for ødeleggelse. Denne spesielle ubiquitin-ligasen hadde aldri blitt beskrevet før, sier Mendell, men som andre ubiquitin-ligase-komplekser, ser den ut til å markere proteiner som er bestemt for nedbrytning. Imidlertid, i stedet for å merke selve miR-7, viste videre undersøkelser at dette komplekset i stedet merker et protein k alt Argonaute, som frakter miRNA gjennom celler.
Når Argonaute-proteinet festet til miR-7 er målrettet for nedbrytning, blir dette miRNA-et etterlatt nakent i cellen - en tilstand som trigger celler til å ødelegge miRNA-et ved hjelp av RNA-nedbrytende enzymer.
Forskerteamet fant at dette ubiquitin-ligasekomplekset er nøkkelen til å bryte ned ikke bare miR-7 i K562-celler, men også en rekke andre miRNA-er i andre celletyper og arter. Disse resultatene tyder på at denne mekanismen for miRNA-forfall virker bredt for å kontrollere nivåene av miRNA under dyreutvikling og på tvers av vev. Fordi andre studier har vist at unormale nivåer av ulike miRNA-er er assosiert med en rekke sykdommer og infeksjoner, kan det å finne måter å kontrollere nedbrytning av miRNA på – enten for å utrydde problematiske miRNA-er i celler eller holde på gunstige – representere en ny måte å behandle disse på. forhold.
"I over et tiår har forskere lett etter mekanismer som gjør at celler bryter ned miRNA," sier Han. "Nå som vi har oppdaget nye cellulære maskineri som kan oppnå dette, vil vi være i stand til å bruke denne oppdagelsen for å bedre forstå hvordan miRNA er regulert og, håper vi, til slutt utvikle nye terapier."
Andre UTSW-forskere som bidro til denne studien inkluderer Collette A. LaVigne, Benjamin T. Jones, He Zhang og Frank Gillett.
Denne studien ble finansiert av tilskudd fra National Institutes of He alth (R35CA197311, P30CA142543 og P50CA196516), Welch Foundation (I-1961-20180324), American Heart Association (19POST34380222), the Cancer Institute of Texas (RP150596), og HHMI.
