Când ribozomii devin necinstiți

În anii 1940, oamenii de știință de la Institutul Național al Cancerului, recent înființat, încercau să crească șoareci care ne-ar putea informa înțelegerea cancerului, fie pentru că au dezvoltat în mod previzibil anumite tipuri de cancer, fie pentru că erau surprinzător de rezistenți.

Echipa a observat un așternut ciudat în care unii pui de șoareci aveau cozi scurte și îndoite și coaste deplasate care le creșteau din oasele gâtului. Tulpina de șoareci, supranumită „coada scurtă”, a fost crescută fidel de atunci, în speranța că într-o zi, cercetările ar putea dezvălui care a fost problema cu ei.

După mai bine de 60 de ani, cercetătorii au primit în sfârșit răspunsul, când Maria Barna, un biolog de dezvoltare pe atunci la Universitatea din California, San Francisco, a descoperit că șoarecii aveau o mutație genetică care a făcut ca o proteină să dispară din ribozomi – locurile din celule. unde se produc proteinele.

Aceasta a fost o surpriză completă, spune Barna: Toată lumea se așteptase ca cauza să fie o mutație a unei gene care orchestra dezvoltarea, nu una implicată în structura ribozomului. Ribozomii, care la microscop arată ca milioane de pete împrăștiate în celulă sau, mai aproape, ca o chiflă ruptă în jumătăți inegale, par similare în toate formele de viață. Ele există în fiecare celulă și se credea că fac același lucru peste tot: traduce instrucțiunile conținute în ADN în proteinele care fac cea mai mare parte a muncii în celule.

Cum ar putea un defect al acestui mic cal de bătaie de încredere și omniprezent să remanieze planul corpului unui șoarece într-un mod atât de curios de specific?

Astăzi, pe baza unor astfel de descoperiri, un număr tot mai mare de oameni de știință au ajuns să creadă că se întâmplă mai multe cu ribozomi decât au crezut cândva – și că această varietate de ribozomi poate avea uneori funcții biologice.

Barna, acum la Universitatea Stanford, a raportat descoperirea ei în revista Cell în 2011. De atunci, cercetătorii au descoperit câteva alte gene care, precum cea din mutanții „coada scurtă”, codifică proteinele din ribozomi și par să distorsioneze dezvoltarea într-un mod specific atunci când sunt mutate.

La șoarecele nefericit care l-a intrigat pentru prima dată pe Barna, o proteină cunoscută sub numele de RPL38 nu a fost produsă corect. Într-un alt șoarece, a dus la o versiune defectuoasă a unei proteine ​​numite RPL10A deformări chiar mai drastice (și mortale).. „Acești embrioni păreau ca și cum o ghilotină le-ar fi tăiat capătul posterior imediat după membrul posterior”, își amintește Barna.

Ribozomi pretențioși

Există și alte motive pentru care cercetătorii au fost surprinși de faptul că în spatele dezvoltării neobișnuite a acestor șoareci mutanți stau ribozomi neobișnuiți. În primul rând, controlul calității ribozomilor este strict: deoarece cei defecte pot produce proteine ​​prost concepute care pot provoca multe daune, acestea tind să fie eliminate rapid. În al doilea rând, embrionii care au mutații în genele care codifică proteinele ribozomale, în general, nu trec pe tot parcursul unei sarcini.

Cu toate acestea, există excepții, inclusiv în oameni. Copiii cu asplenie congenitală izolată, de exemplu, se nasc fără spline, adesea din cauza unei mutații a unei singure proteine ​​ribozomale, în timp ce restul corpului este complet normal. Din nou, cum ar putea o proteină lipsă sau neobișnuită din ribozomi să provoace așa ceva?

Barna crede că afinitatea este cheia. Pentru a face o proteină, ribozomii nu primesc instrucțiuni direct de la ADN-ul greu de manevrat, dar din molecule mai succinte de ARN mesager (ARNm). care poartă instrucțiuni despre gene individuale. ARN-ul este alcătuit dintr-un șir lung de patru blocuri diferite și fiecare trei blocuri codifică un aminoacid. Ribozomul citește aceste instrucțiuni și unește corect aminoacizii împreună pentru a forma o proteină.

Din câte știu oamenii de știință, moleculele de ARNm plutesc până când întâlnesc un ribozom, moment în care sunt traduse în proteine. Dar Barna crede – și are dovezi care să sugereze – că diferiți ribozomi au afinități diferite și pot fi mai apți să traducă unele tipuri de ARNm decât altele..

De exemplu, celulele embrionilor de șoarece cu an Rpl38 mutația produce la fel de multă proteină ca și alți embrioni. Dar ei fac substanțial mai puțin din unele proteine care sunt cruciale în timpul dezvoltării. Cunoscute sub numele de proteine ​​homeobox, ele sunt esențiale pentru ca embrionul să își sorteze partea din spate. Barna a descoperit asta ribozomi fără RPL38 sunt mai puțin probabil să se lege și să traducă ARNm homeobox. Acest lucru are ca rezultat o deficiență a acestor proteine ​​organizatoare și o dezvoltare perturbată a vertebrelor, coastelor și cozilor.

În mod similar, ribozomii fără proteina ribozomală RPL10A sunt mai puțin probabil să se lege de ARNm care codifică pentru un alt set crucial de proteine ​​​​de dezvoltare embrionară – cele implicate în ceea ce se numește Semnalizare Wnt calea. Numărul redus de aceste proteine ​​cruciale face ca dezvoltarea să se termine brusc după membrele posterioare, creând impresia că partea din spate a fost tăiată.

În timp ce unele tulburări genetice care implică proteine ​​ribozomale par înrădăcinate în activități ale ribozomilor neobișnuiți, altele se pot datora lipsei de ribozomi care rezultă din controlul strict al calității al celulei, spune Barna. Sindromul Treacher Collins, care provoacă anomalii ale fețeiși sindromul Shwachman-Diamond, care provoacă dezvoltarea anormală a scheletsunt exemple probabile.

Astea sunt defecte. Dar uneori, argumentează Barna, diferențele în structura și compoziția ribozomilor pot fi funcționale. „Descoperim că anumite proteine ​​ribozomale apar mai des în unele tipuri de celule decât în ​​altele, de exemplu în neuroni față de celulele intestinale”, spune ea. Rezultate recente din laboratorul ei sugerează că pot exista chiar diferite tipuri de ribozomi în cadrul aceleiași celule care se specializează în producerea anumitor proteine ​​față de altele.

În ribozomi, spune ea, „pare să existe un miez care este invariabil și apoi în învelișul exterior, proteine ​​care pot varia în interiorul și între celule și țesuturi”. Ea crede că acest lucru oferă corpului nostru încă o modalitate de a regla ce proteine ​​sunt produse și unde.

Drojdie sărată

În noiembrie 2023, o conferință de două zile la Londra pe care Barna a organizat-o în comun a reunit mulți oameni de știință care sunt intrigați de variația pe care au găsit-o în ribozomii pe care i-au analizat și care ar putea fi, dacă este ceva, funcțiile acestora.

Unii nu sunt chiar atât de convinși că ribozomii neobișnuiți fac ceva în afară de a cauza probleme. Katrin Karbstein, biochimist la Universitatea Vanderbilt, care a fost coautor al unui 2024 articol despre controlul calității ribozomilor în Anual Review of Cell and Developmental Biology, observă că cele mai multe dintre exemplele cunoscute de variație a ribozomilor provoacă tulburări sau boli. „Puțini, dacă vreunul, s-a dovedit a fi de ajutor pentru organism”, spune ea.

Karbstein crede că majoritatea tulburărilor genetice asociate cu genele ribozomilor sunt probabil cauzate doar de deficitul de ribozomi care rezultă atunci când cei defecte sunt eliminate, mai degrabă decât de orice proprietate specială a ribozomilor divergenți înșiși. Dacă oamenii sau șoarecii se găsesc cu defecte specifice, spune ea, poate fi doar pentru că nivelurile scăzute de ribozom reprezintă o problemă mai mare în unele tipuri de celule decât în ​​altele.

Cu toate acestea, în discursul ei de la întâlnire, Karbstein a revăzut o descoperire pe care ea însăși a făcut-o în celulele de drojdie pe care le studiază și care, spre surprinderea ei, a dezvăluit o utilizarevarianta plină de ribozom. Când cresc în concentrații foarte mari de sare, celulele de drojdie pierd o proteină ribozomală, Rps26, din aproximativ jumătate din ribozomii lor. Ribozomii fără proteină sunt diferiți, a descoperit Karbstein. Ei par mai înclinați să traducă moleculele de ARNm care sunt produse ca reacție la acel factor de stres.

Și când Karbstein și echipa ei au continuat să elimine în mod deliberat proteinele Rps26 din celulele de drojdie, au descoperit că celulele au devenit rezistente la sare. „De fapt”, spune ea, „aceștia cresc mai bine în condiții mari de sare.”

Karbstein a descoperit, de asemenea, că drojdia răspunde rapid la stresul sărat, eliminând rapid proteinele Rps26 din ribozomi atunci când este necesar și reintroducându-le imediat când situația stresantă dispare.

Ribozomi rezistenti

Ribozomii nu sunt fabricați doar din proteine: aproximativ jumătate din structura lor este formată din ARN. Și în eucariote (forme de viață cu celule complexe precum ale noastre) există o mulțime de ARN suplimentar care iese din ribozomi, ca tentaculele unei anemone de mare. „Credem că acest lucru poate oferi un mecanism de captare a ARN-ului mesager”, spune Barna.

ARN-ul ribozomal îndeplinește, de asemenea, cea mai importantă și veche funcție în interiorul ribozomilor: traducerea fascinant de eficientă a ARNm în proteine. Primele proteine ​​trebuie să fi fost produse de ARN ribozomal, susține biologul structural Ada Yonath de la Institutul de Știință Weizmann din Israel, care a împărțit premiul Nobel în 2009 pentru munca sa de a descoperi structura ribozomului.

Yonath observă că buzunarul din ARN-ul ribozomal în care aminoacizii sunt uniți pentru a forma proteine ​​arată foarte asemănător la toate speciile și nu consideră că acest lucru este o coincidență. „Credem că acesta este proto-ribozomul din care au evoluat ribozomii completi”, spune ea.

Cercetătorii în ribozomi și-au concentrat de multă vreme cea mai mare parte a atenției pe această zonă centrală îngrijită, în care se citește ARNm și se unesc aminoacizii; au petrecut mai puțin timp studiind periferia ribozomilor. În plus, modurile în care a fost studiată structura ribozomilor au creat o impresie puternică că toți ribozomii sunt la fel. Dar noile metode au descoperit mai multe variații.

Yonath spune că vrea să vadă mai multe dovezi că diferențele dintre ribozomi pot fi de ajutor. Laboratorul ei colaborează acum cu Barna și alții pentru a afla dacă ribozomii cărora le lipsesc anumite proteine ​​sau care conțin unele neobișnuite au structuri tridimensionale diferite care ar putea explica de ce funcționează diferit.

Yonath a fost mult timp interesat de diferențele dintre ribozomii diferitelor specii. Acestea, spune ea, ar putea fi utile în dezvoltare antibiotice care vizează doar ribozomii de agenți patogeni, evitând în același timp daune semnificative aduse microbilor benefici care trăiesc în corpul nostru sau propriilor noastre celule. „Peste 40% dintre antibioticele utile clinic vizează sinteza proteinelor, în principal prin paralizarea ribozomului”, notează ea.

Dar interacțiunile ei cu companiile farmaceutice cu privire la noile ținte posibile pe care le-a identificat au fost dezamăgitoare, adaugă ea: „Se spune că bacteriile vor deveni rezistente”. Într-adevăr, într-un exemplu clar de variație ribozomală care este utilă – nu nouă, ci agentului patogen – antibioticele care vizează ribozomii bacterieni pot favoriza supraviețuirea bacteriilor cu ribozomi ușor diferiți pe care antibioticul nu îi mai poate bloca.

Alimentarea proliferării

Un alt domeniu al medicinei în care variația ribozomilor se poate dovedi a fi o veste bună este tratamentul și diagnosticul cancerului. Aproximativ 25% dintre cancere sunt asociate cu modificări genetice ale proteinelor ribozomale, spune Yonath, al cărui laborator lucrează și în acest domeniu.