Științe ale vieții și Pământ - Cum să tacă o genă
Cum să tacă o genă. Interferența ARN
Una dintre cele mai recente descoperiri în biologia moleculară este că ARN-urile pot regla expresia genelor. De ani de zile, li s-au atribuit două funcții principale:
- ARN-urile mesager (ARNm) sunt intermediari esențiali monocatenari (monocatenari) între ADN, care transportă informații genetice, și proteine, care exprimă aceste informații.
- ARN-urile ribozomale (ARNr) și de transfer (ARNt), la rândul lor, au roluri de „decodoare” și catalizatori ai acestei sinteze proteice, în virtutea structurii lor. (vezi schema generală)
Această imagine s-a complicat oarecum când oamenii de știință au descoperit ARNi (interferența ARN) sau modul în care expresia genelor este blocată de o moleculă de ARN dublu-catenar (dublu-catenar). De atunci, ARNi a devenit un instrument experimental revoluționar pentru înțelegerea rolului genelor. Un fost mecanism de apărare al genomului, este implicat în blocarea transcripției (sinteza ARNm din ADN) și a traducerii („citirea” ARNm într-o peptidă).
Descoperire
Mecanismul ARNi se bazează pe un principiu tehnic simplu: prin injectarea de copii multiple de ARN dublu catenar (catenă dublă sau dsARN) în viermele Cænorhabditis elegans, funcția genei a cărei secvență este complementară acestui dsARN este blocată. La fel ca multe descoperiri majore, cea a ARNi se bazează pe un rezultat experimental neașteptat.
La sfârșitul anilor 1980 și începutul anilor 1990, fiziologii plantelor care lucrează la petunie au fost surprinși să constate că introducerea mai multor copii ale unei gene, care codifică culoarea violet închis, departe de a spori culoarea florilor, a provocat apariția unor pete albe pe petale. Într-un mod încă necunoscut, genele introduse (transgenele) nu numai că deveniseră mute, ci și blocaseră propriile gene ale plantei gazdă. Același rezultat a fost obținut atunci când plantele au fost infectate cu un virus modificat genetic pentru a conține doar fragmente din genă.
Aceste rezultate nu au fost înțelese până la publicarea lucrării lui Fire și Mello în 1998: virușii ARN își înmulțesc materialul genetic prin intervenția dsARN-urilor și numeroasele copii ale transgenelor determină, de asemenea, formarea dsARN. Fenomenul ARNi este deci un vechi mecanism de apărare celular, care a apărut cu mult înainte de divergența de la viermi la plante, care blochează orice posibilitate de multiplicare anarhică a materialului genetic „deviant” sau de origine virală, absent în mod normal în celulă.
Cum functioneaza ?
Una dintre primele observații care a ajutat la înțelegerea mecanismului ARNi este că plantele ale căror gene sunt reduse la tăcere produc ARN-uri mici de 20 până la 25 de nucleotide, complementare genelor blocate. Acești ARN, mai mici decât ARNm și ARN ribozomali, au rămas mult timp nedetectabili.
ARNi a fost reconstituit in vitro, din extracte de celule Drosophila. În primul rând, dsARN-urile lungi sunt fragmentate în ARN-uri mai mici, cu o structură specifică: două lanțuri de 21 de nucleotide, dintre care 19 sunt dublu catenare și 2 nucleotide sunt nepereche la capete. Aceste fragmente mici au fost denumite "ARN interferent scurt" sau siARN; chiar sintetizate artificial, sunt capabile să reducă la tăcere genele. Enzima care taie dsARN în siARN se numește DICER. Este o endonuclează a familiei RNAses III, specifică pentru dsRNA.
Fragmentele de ARN rezultate formează apoi un complex cu proteine numite RISC. Aici, firele „siRNA” de „simț”, similare cu cele ale genei țintă, sunt îndepărtate, lăsând firele „antisens”, care sunt complementare. Acestea ghidează un complex proteic către ARNm produs de genă, provocând distrugerea acestuia. Astfel, gena este transcrisă dar nu tradusă, de unde aparent tăcerea ei.
Acest lucru explică eșecul experimentelor transgenice în petunii. Ambele catene ale unei transgene pot fi transcrise (în locul unei singure catene ca o genă normală), producând dsRNA în loc de mARN. Acesta este apoi tăiat în mai multe ARNsi care blochează gena de interes. Cu cât mai multe copii ale genei, cu atât celula o „reduce” la tăcere !
ARNi nu funcționează în acest fel pentru toate organismele. De exemplu, o ARN polimerază dependentă de ARN poate interveni: folosește catena antisens a unui siARN ca primer pentru a sintetiza mai mult ARNds, amplificând mecanismul. La plante, acest fenomen se propagă prin țesuturi non-reproductive (somatice), prin transferul de ARNd din celulă în celulă, generând o extensie a rezistenței la infecții virale. Un astfel de mecanism este puțin probabil la Drosophila sau vertebrate, deoarece polimeraza în cauză nu a fost găsită în ele.
Care e ideea ?
ARN-urile mici și ARNsi-urile interferente ar putea avea un rol în combaterea elementelor transpozabile, repetarea genelor (inclusiv transgenele) și a virușilor.
Transpozonii, acele „gene săritoare” răutăcioase care au nefericitul obicei de a parazita ADN-ul duplicându-se pentru a se potrivi oriunde, reprezintă aproape jumătate din secvențele genetice la om. Dezactivarea acestora este crucială pentru stabilitatea genomului! Viermii cu gene mutante implicate în ARNi nu sunt capabili să blocheze anumite transpozoni din țesuturile germinale (originea celulelor reproductive). La fel este și pentru plante.
Acest mecanism ar putea controla, de asemenea, nivelul de exprimare a genelor în anumite țesuturi. În Drosophila, de exemplu, cantitatea de copii ale unui transgen poate modifica un rezultat: un anumit număr de copii generează o expresie puternică a genei de interes, dar dintr-o concentrație limită, exprimarea acesteia, dimpotrivă, este redusă. Sunt implicate proteine care „învelesc” ADN; structura lor este modificată pentru a opri transcrierea. În drojdie, acest proces, observat pe elemente transpozabile, se extinde în mod ciudat la regiunile adiacente.
ARNi: siARN sau miARN . (vezi diagrama)