Schopnost přežít v náročných podmínkách je klíčová pro mnohé organismy. V posledních miliardách let se toho naučily i jednobuněčné organismy, které žijí v horkých lokalitách. V průběhu posledních desetiletí přinesl výzkum jejich adaptačních mechanismů revoluční technologie, jako je rychlé klonování DNA (PCR), výroba tepelně odolných proteinů a dokonce i produkce paliv a chemikálií.

Mezi nejúchvatnějšími organismy jsou hypertermofilové – žijící v oblastech jako jsou sopky, podvodní sopečné trhliny a geotermální prameny, kde teplota překračuje 80 °C. Nová výzkumná metoda, vyvinutá vědci z Weizmannova institutu vědy, odhalila, jak hypertermofilové reorganizují molekuly RNA uvnitř ribozómů – buněčných továren na výrobu proteinů – aby přežili při vysokých teplotách.

Výsledky experimentů laboratoře profesora Šerga Švarce, publikované v časopise Cell, zpochybňují dosavadní přesvědčení, že základní životní procesy jsou mezi druhy shodné a nemění se v průběhu života. Tyto nové poznatky by mohly vést k vylepšení lékařských a průmyslových technologií založených na RNA a pomoci objasnit dlouho trvající záhadu v oblasti vývoje léčiv.

Vytváření a úprava RNA

Ribozom je jednou z nejstarších a nejzákladnějších biologických struktur, sdílenou všemi třemi říšemi života – archaemi, bakteriemi a eukaryoty. Před více než 60 lety bylo zjištěno, že ribozomální RNA podléhá chemickým „úpravám editace“ po jejím vzniku. Přesto až dosud nebylo zřejmé, do jaké míry se tyto změny liší mezi druhy nebo podle podmínek prostředí.

„Až donedávna byla na základě studií kvasinek a lidí převažující domněnka, že editace RNA je jednotná v ribozomech jedinců různého druhu a nemění se podle prostředí,“ vysvětluje profesor Švarc z oddělení molekulární genetiky institutu. „V posledních letech však bylo shromážděno několik důkazů u několika druhů, že editace může být dynamická a umožňuje adaptaci struktury ribozomu na měnící se podmínky.“ Vztah mezi různými typy editací RNA byl obtížné zmapovat kvůli různorodosti typů úprav a omezením stávajících metod, které obvykle dovolovaly zkoumat pouze jeden typ opravy v jedné vzorku.

Nová výzkumná metoda

Nová metoda, vyvinutá v laboratoři profesora Švarce pod vedením doktora Miguela A. Garcíy Kampuse, umožňuje zároveň zkoumat 16 různých typů úprav editace v desítkách vzorků RNA a tak urychluje studium editace RNA. S jejíž pomocí vědci poprvé zmapovali úpravy RNA u 10 jednobuněčných druhů a porovnali je se čtyřmi dříve studovanými. Zvolili si zvláště druhy, které přežívají v extrémních podmínkách, včetně tří hypertermofilů, s domněnkou, že pokud má ribozom adaptivní mechanismus k prostředí, bude přítomen u nich.

„Zatímco většina bakterií a archeí má desítky úprav ribozomální RNA, u hypertermofilů bylo nalezeno stovky editací,“ popisuje profesor Švarc. „Ve skutečnosti se ukázalo, že čím je přirozené prostředí organismu teplejší, tím více editací provádí.“

Studium změn a adaptací

Po zjištění rozdílů mezi druhy s různými biotopy zkoumali vědci, zda je daný druh schopen přizpůsobit svou ribozomální RNA – a tím měnit strukturu ribozomu – podle environmentálních změn během života. Každý ze zkoumaných druhů byl pěstován za třech až pěti různých podmínek prostředí. U jednobuněčných organismů žijících při běžných teplotách byly většiny editací stálé a nezávislé na podmínkách kultivace. Naopak téměř polovina modifikací u hypertermofilů byla dynamická a probíhala ve více lokalitách RNA molekul s rostoucí teplotou. Vědci tak usoudili, že změny ve struktuře ribozomu nejsou pouze možné – jsou důležitým adaptivním mechanismem.

Vědci identifikovali tři typy změn, jejichž četnost systematicky a do široka rostla se zvyšující se teplotou. „Obzvláště překvapivým objevem bylo, že jedna z těchto úprav – přidání methylové skupiny (metylace) – se u hypertermofilů téměř vždy objevila spolu s další úpravou – přidáním acetylové skupiny (acetylace),“ říká profesor Švarc. „To naznačuje, že tyto úpravy spolupracují.“ Vědci spolupracovali s týmem profesora Sebastiána Glatta z Jagellonské univerzity v Krakově, kde zkoumali stabilitu RNA molekuly bez úprav, po přidání jedné chemické skupiny, a po přidání obou. Obě metylace a acetylace stabilizovaly RNA, avšak při vzájemné spolupráci byl celkový účinek vyšší než součet jednotlivých částí.

Struktura ribozomu

Co však nebylo dosud jasné, bylo, jak úpravy mění strukturu ribozomu. Aby to prozkoumali, tým výzkumníků spojil síly s profesorem Moren Shalu Ben-Ami z oddělení strukturní a chemické biologie institutu, který provedl elektronovou mikroskopii jednotlivých částic v hlubokém zmrazení (cryo-EM) a mapoval ribozom hypertermofilního archeona. Vědci mapovali strukturu ve dvou stavech – když byl enzym provádějící metylaci aktivní při vysokých teplotách a když byl potlačen. Vědci zjistili, že methylové skupiny přidané při vysokých teplotách jsou rozptýleny po celém ribozomu a vytvářejí slabé vazby s okolními molekulami, což dohromady posiluje jeho strukturu. Dále identifikovali, že v oblastech, kde byly provedeny úpravy, je v ribozomu méně prostoru, což naznačuje, že „díry“ ve struktuře byly „ucpané“.

Důsledky nových objevů

Nové výsledky odhalují sofistikovaný mechanismus, v rámci kterého mohou jemné chemické změny v molekule RNA výrazně zlepšit její strukturální stabilitu a umožnit jí fungovat ve měnícím se prostředí. Tímto způsobem poskytují možná řešení pro dlouholetou záhadu „magické methylace“ – nepochopitelné zlepšení až o více než 100% u účinnosti některých léčiv pozorované po přidání methylové skupiny.

„V současnosti se objevuje možnost, že alespoň část změn editace v molekule RNA – jako je metylace a acetylace – nejsou navzájem izolované a měly by být zkoumány jako kontinuální kód,“ uvádí profesor Švarc. „Náš výzkum ribozomální RNA přispívá k pochopení vztahů mezi různými typy editací a metoda, kterou jsme vyvinuli, má potenciál urychlit a rozšířit výzkum mnoha typů změn a nových druhů.“

„Mnohé technologie založené na RNA jsou v současnosti na trhu nebo ve vývoji – od vakcín proti epidemiím, přes testy a léčbu rakoviny až po nástroje pro provádění genetického editování v biotechnologickém průmyslu a medicíně,“ dodává. „Přirozený proces editace RNA procházel miliardami let vylepšení a odhalení jeho tajemství by mohlo umožnit vývoj spolehlivějších a efektivnějších technologií založených na RNA.“

Na výzkumu se podíleli také Joe Georgeson, doktorka Ronit Nir, doktor Winther Ayar a doktor Anatolij Kostnovič z oddělení molekulární genetiky institutu; doktor Robert Reichelt, doktor Felix Grunberger, Nicholas Alexander, profesor Sebastián Ferreira-Serca a profesorka Dina Grochman z Univerzity v Regensburgu, Německo; doktor Kristina A. Pluc, profesor Bert W. Burkhardt a profesor Thomas J. Santangelo z Coloradské státní univerzity; doktorka Dona Matzov z oddělení strukturní a chemické biologie institutu; doktor Lauren Louis z Národní laboratoře Lawrence Berkeley v Kalifornii; doktor Sufoni Thaleh Gamaga, doktorka Sharine A. Haoufi-Manaj a doktor Jordan L. Meyer z Národního institutu pro rakovinu ve Fredericku, Maryland; doktor Milan Jerobek a profesor Jörg Vogel z Univerzity ve Würzburgu, Německo; doktor Yuko Novy a profesor Masato Taukai z Metropolitní univerzity v Tokiu (TMU), Japonsko; Jakub S. Novak z Jagellonské univerzity v Krakově, Polsko; Manoj Perera, Alexander Apostol a doktor Shui Fang z Michiganské technologické univerzity (MTU) v Houghton, Michiganu; doktor Gil Yona z oddělení výzkumu biologických věd a profesor Eric Westhof z institutu Molekulární a celulares biologie (IBMC) ve Štrasburku, Francie.

Článek byl publikován v rámci vědeckého putování, Weizmannův institut vědy.