Retrotranspozony, czyli tzw. skaczące geny, to fragmenty cząsteczki RNA obcego pochodzenia, stanowiące znaczną część genomów organizmów eukariotycznych, także ludzi. Badaniem retrotranspozonów zajmuje się mgr inż. Angelika Andrzejewska-Romanowska z Instytutu Chemii Bioorganicznej PAN, stypendystka 23. edycji programu L’Oréal-UNESCO Dla Kobiet i Nauki.
Najprawdopodobniej retrotranspazony są wynikiem infekcji pradawnymi wirusami, które w toku ewolucji utraciły zdolność zarażania. Ich obecność w naszym DNA może dość znacząco wpływać na funkcjonowanie komórki.
„Wirusy to patogeny wywołujące choroby zakaźne, a wiele wskazuje na to, że są najliczniejszym bytem na naszej planecie. Jednak poza powszechnie znanymi wirusami infekcyjnymi, elementy pochodzenia wirusowego stanowią również znaczną cześć genomów różnych organizmów” – informują przedstawiciele programu L’Oréal-UNESCO Dla Kobiet i Nauki w przesłanym PAP komunikacie.
SKACZĄCE GENY
Retrotranspozony, bo o nich mowa, są najprawdopodobniej wynikiem integracji DNA różnych eukariontów z pradawnymi wirusami, które w toku ewolucji utraciły zdolność zarażania. Od tysięcy lat pozostają wbudowane w DNA gospodarzy.
Nazywa się je „skaczącymi genami”, ponieważ mają zdolność do przemieszczania się wewnątrz genomu komórki na zasadzie „kopiuj-wklej”, co określa się mianem retrotranspozycji. Proces ten przebiega w następujący sposób: na samym początku sekwencja DNA retrotranspozonu, obecna w genomie gospodarza, zostaje skopiowana do cząsteczki RNA i wychodzi z jądra komórkowego do cytoplazmy. Tutaj, w oparciu o sekwencję RNA, rozpoczyna się produkcja białek retrotranspozonu.
Opisany proces bardzo przypomina namnażanie wirusów, chociażby takich jak HIV-1, które zmuszają komórkę do produkcji ich własnego RNA i własnych białek w celu wytworzenia nowego pokolenia wirusa. W przypadku retrotranspozonów w komórce gospodarza również produkowane cząstki wirusopodobne, jednak w odróżnieniu od wirusów zakaźnych, nie mają one zdolności do infekowania kolejnych komórek. Wewnątrz tych cząstek dochodzi natomiast do powstania nowej kopii retrotranspozonu, która wbudowuje się do genomu gospodarza zazwyczaj w innym miejscu niż pierwotna sekwencja.
PRZYJACIELE CZY WROGOWIE?
Mało kto zdaje sobie sprawę z tego, że ruchome elementy genetyczne różnych typów stanowią łącznie blisko 50 proc. ludzkiego genomu. Choć w toku ewolucji ogromna większość z nich ulegała dezaktywacji wskutek mutacji, to sama ich obecność może nadal wywierać na nasze komórki znaczący wpływ.
Część sekwencji pochodzenia retrotranspozonowego koduje ważne funkcjonalnie białka. Przykładem jest łożyskowo-specyficzny gen kodujący syncytynę, którego pojawienie się w genomie człowieka znacząco wpłynęło na ewolucję i przyczyniło się do wykształcenia linii ssaków łożyskowych.
Innym ważnym genem tego typu jest ARC, który ulega ekspresji w układzie nerwowym i koduje białko kluczowe dla plastyczności synaps, zaangażowane w procesy uczenia się i zapamiętywania. Najnowsze badania wykazały, że białko to tworzy cząstki wirusopodobne przenoszące RNA pomiędzy komórkami.
Zachowane sekwencje retrotranspozonów uznawane są także za jeden z ważniejszych czynników regulujących ekspresję genów, np. aktywność genu amylazy w gruczołach ślinowych.
Ale retrotranspozony to nie tylko nasi sprzymierzeńcy. Niektóre z nich mogą negatywnie wpłynąć na gospodarza. Np. gdy nowa kopia cząsteczki retrotranspozonu zostanie wklejona w obrębie ważnego genu, może spowodować jego dezaktywację, co skutkuje brakiem produkcji odpowiedniego białka. Jeśli przydarzy się to genom białek zabezpieczających przed transformacją nowotworową, retrotranspozon przyczyni się więc do nowotworzenia.
Zdarzają się także sytuacje odwrotne: kiedy kopia retrotranspozonu znajduje się w pobliżu nieaktywnego genu, proces retrotranspozycji może go uaktywnić, jednak w sposób niepożądany i losowy. U ludzi lista chorób związanych z aktywnością ruchomych elementów genetycznych dotyczy głównie chromosomu X i obejmuje takie schorzenia jak: hemofilie typu A i B, dystrofia miotoniczna Duchenne’a czy syndrom Coffina-Lowry’ego.
Doniesienia naukowe pokazują również, że aktywność wewnątrzkomórkowych wirusów może aktywować układ immunologiczny i indukować odpowiedź zapalną, w sposób podobny do infekcyjnych wirusów.
Dodatkowo nowe zmiany w genomie wiążą się z niestabilnością genetyczną, co ma również bezpośredni związek z chorobami nowotworowymi.
POLKA BADANA SKACZĄCE GENY
Celem pracy badawczej mgr inż. Angeliki Andrzejewskiej-Romanowskiej, stypendystki programu L’Oréal-UNESCO Dla Kobiet i Nauki, jest lepsze zrozumienie biologii retrotranspozonów poprzez badania nad strukturą ich RNA.
Cząsteczka RNA, czy to wirusowa, czy transpozonowa, ma przeważnie postać pojedynczej nici, dzięki czemu – w odróżnieniu od podwójnej helisy DNA – jest bardzo elastyczna i może zwijać się w dowolne struktury oraz przybierać różne przestrzenne formy, co istotnie wpływa na pełnione przez nią funkcje.
Angelika Andrzejewska-Romanowska wraz ze współpracownikami zajmuje się określeniem, jak wygląda struktura komórkowych oraz wirusowych RNA i jak zmienia się ona w czasie ich komórkowych „podróży”. Sprawdza, w jaki sposób reguluje zależne od RNA procesy komórkowe oraz replikację wirusów.
Od dawna wiadomo bowiem, że poprawna struktura transportujących oraz rybosomalnych RNA jest istotna dla produkcji białek komórkowych. Coraz więcej badań wskazuje też, że struktura wirusowego genomu RNA zawiera ważne instrukcje funkcjonalne, dlatego terapie nacelowane na specyficzne elementy strukturalne wirusowego RNA dają bardzo obiecujące rezultaty.
„Uważam, że badania nad właściwościami cząsteczek RNA mają ogromny potencjał i odpowiadają na wiele nurtujących nas pytań dotyczących biologii organizmów – mówi Angelika Andrzejewska-Romanowska. – Ostatnie dekady udowodniły, jak bardzo nie docenialiśmy roli, jaką RNA pełni w funkcjonowaniu komórki. Praca badawcza pokazuje mi, że koncepcje biologii zmieniają się na naszych oczach i na dotarcie do tej prawdziwej możemy mieć realny wpływ”.
„Chciałabym dalej odkrywać niezbadane obszary dziedziny, którą się zajmuję. Praca naukowa daje mi ogromną satysfakcję” – dodaje stypendystka.
***
Mgr inż. Angelika Andrzejewska-Romanowska ukończyła studia inżynierskie i magisterskie na kierunku Biotechnologia na Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu. Związana była też z Instytutem Genetyki Człowieka PAN, gdzie realizowała swoje prace dyplomowe. Odbyła dwa staże krajowe w jednostkach PAN oraz staż zagraniczny w Centrum Badań Biologicznych w Madrycie. W 2018 roku rozpoczęła studia doktoranckie w Instytucie Chemii Bioorganicznej PAN w Poznaniu.
Jest stypendystką Narodowego Centrum Nauki oraz kierowniczką grantu NCN PRELUDIUM. Jest współautorką 10 publikacji, w tym pierwszą autorką nagrodzonej publikacji w „Nucleic Acids Research”, w której dostarczyła pierwszy model struktury genomu RNA aktywnego retrotranspozonu LTR w żywych komórkach.
Za dotychczasowy dorobek naukowy została nagrodzona stypendium START przyznawanym wybitnym młodym uczonym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej. Otrzymała również stypendium Rektora UPP dla najlepszych studentów oraz trzykrotnie znalazła się w gronie najlepszych doktorantów ICHB PAN.
Nauka w Polsce, Katarzyna Czechowicz