Intronii, consideraţi odinioară segmente inutile de ARN, ajută la reglarea producţiei de proteine prin degradarea ARN-ului mesager. Cercetătorii au descoperit că intronii devin mai stabili în condiţii de stres, indicând o posibilă funcţie de supravieţuire. Acest studiu este primul care demonstrează că anumite segmente de ARNt influenţează expresia genelor.
Oamenii de ştiinţă au descoperit că unele segmente mici de ARN, considerate în trecut drept „gunoi” (junk), joacă un rol funcţional în reglarea producţiei de ARN mesager (ARNm) şi ajută celulele să gestioneze stresul oxidativ.
Aceste segmente, cunoscute sub numele de introni, fac parte dintr-un subset de ARN de transfer (ARNt), care sunt esenţiale pentru asamblarea aminoacizilor în proteine.
Un intron este o secvenţă nucleotidică a unei gene, care nu conţine informaţie, aceasta fiind înlăturată în timpul procesului de matisare din cadrul maturării finale a moleculei de acid ribonucleic.
În mod tradiţional, se credea că aceşti introni sunt nefuncţionali deoarece sunt eliminaţi din moleculele de ARNt înainte ca ARNt să poată participa la sinteza proteinelor.
Cu toate acestea, un nou studiu realizat de Universitatea de Stat din Ohio (OSU) arată că anumiţi introni se leagă de regiuni esenţiale ale moleculelor care traduc informaţiile genetice în proteine, declanşând degradarea acestora şi oprind astfel producţia de proteine.
În experimentele în care celulele au fost expuse la stres oxidativ, un tip de intron a rămas neobişnuit de stabil, sugerând că aceşti introni ar putea face parte dintr-un mecanism de supravieţuire evolutivă.
Observaţiile neaşteptate de-a lungul anilor i-au determinat pe oamenii de ştiinţă să investigheze un rol funcţional pentru ceea ce ei numesc „fitARN”, prescurtarea pentru intronii liberi ai ARNt: relaţii improbabile de secvenţiere cu alte molecule de ARN, metode variate folosite de celule pentru a le elimina şi supraexprimarea unora dintre introni, dar nu a tuturor, în condiţii de stres.
„Nimeni nu anticipa o funcţie pentru introni. Dar pentru mine nu avea niciun sens ca aceştia să nu aibă nicio funcţie şi totuşi celula să creadă că ar trebui să existe şase sau mai multe modalităţi diferite de a-i distruge”, a declarat autorul principal, prof. Anita Hopper, profesor de genetică moleculară la Ohio State, într-un comunicat.
„De ce ar dori celula să le trateze în mod preferenţial dacă ar fi doar gunoi? Am mers pe ideea că trebuie să existe o anumită funcţie. În ultimii cinci ani, echipa noastră a conceput câteva experimente foarte inteligente pentru a dovedi acest lucru”, a completat ea.
Cercetarea a fost publicatăpe 20 februarie în revista Molecular Cell.
Ilustraţie a ARN-urilor de transfer. Imagine: Institutul Naţional de Cercetare a Genomului Uman
Un nou mecanism de reglare a genelor
ARN-ul de transfer (ARNt) lucrează cu ARN mesager (ARNm) pentru a construi proteine prin complementaritate, ceea ce înseamnă că o secvenţă de ARNt se împerechează cu secvenţa sa complementară de pe molecula de ARNm pentru a se asigura că aminoacidul corect este adăugat la lanţ în timp ce se construieşte o proteină.
Folosind drojdia ca model de studiu, echipa de la OSU a observat în urmă cu mai mulţi ani că unele secvenţe de introni decupate erau complementare secvenţelor de ARNm, semnalând că intronii ar putea avea importanţă în traducerea codului genetic.
Există 10 familii de ARNt care conţin introni, iar fiecare familie de introni este distrusă într-un mod distinct. Acest studiu s-a axat pe două dintre aceste familii.
Cercetătorii au descoperit că, odată eliberaţi de ARNt, aceşti introni liberi cu secvenţe complementare se leagă de ARNm specifici, ceea ce face ca ARNm-urile să se destrame, astfel încât producţia de proteine să nu poată avea loc. Experimentele au confirmat o relaţie inversă clară: Ştergerea sau supraexprimarea fitRNA a dus la creşteri sau respectiv, scăderi corespunzătoare ale ARNm ţintă.
Funcţia fitARN pare similară cu cea a microARN-urilor, mici segmente de ARN (considerate odată, de asemenea, gunoi/junk) care inhibă funcţiile genei de construire a proteinelor - dar există o diferenţă semnificativă, spune primul autor Regina Nostramo, cercetător postdoctoral în laboratorul OSU.
MicroARN-urile interacţionează cu proteinele din familia Argonaute pentru a degrada ARN-ul mesager, „dar pentru că nu există proteine Argonaute în această specie de drojdie, se întâmplă altceva şi ARN-ul mesager continuă să fie degradat. Deci, este un mecanism similar, dar detaliile a ceea ce se întâmplă sunt diferite”, a explicat Nostramo.
Laboratorul OSU a observat că mai există o distincţie: MicroARN-urile se leagă în mod constant la aceeaşi zonă de „seminţe” necodificatoare din ARN-urile lor mesager ţintă, dar intronii eliberaţi se leagă la o secţiune a ARNm care conţine instrucţiuni de construire a proteinelor.
„Prin urmare, nu este vorba doar de un ARN mic necodificator nou descoperit, ci şi de un mod nou de funcţionare”, a completat prof. Hopper.
Un potenţial mecanism de supravieţuire
Faptul că au puterea de a inhiba producţia de proteine sugerează că intronii oferă celulelor un avantaj, au afirmat cercetătorii.
Coautorul Paolo Sinopoli, student în al treilea an la genetică moleculară în laboratorul prof.Hopper, a identificat cel puţin 33 de ARNm vizate de o familie de introni selectată pentru a fi analizată în acest studiu. Deşi nu aparţin unei singure categorii, proteinele afectate tind să se refere la diviziunea şi reproducerea celulară.
„Întrebarea pe care am avut-o este: „În primul rând, de ce există intronul?”” spune Sinopoli. „Vedem din ARNt că ele există la oameni, la şoareci, la muşte, la drojdie. Aşadar, sunt prezente în toate aceste organisme, deşi par a fi ineficiente - dar lucrurile ineficiente în biologie tind să nu supravieţuiască”
Abundenţa şi stabilitatea unui fitRNA în celulele care se confruntă cu stres oxidativ oferă un indiciu cu privire la importanţa lor, pe care echipa va continua să îl urmărească prin expunerea celulelor la stres termic, înfometare şi alte circumstanţe dificile.
„Poate că celulele folosesc aceşti mici introni ca regulatori negativi ai expresiei genelor - deoarece nu sunt distruse în anumite condiţii”, a comentat prof. Hopper. „Poate că au un rol foarte minor în condiţii sănătoase pentru celule, dar în condiţii de stres, când unele dintre ele se stabilizează, atunci poate că acesta este un rol foarte important”.
Această cercetare a fost susţinută de Institutele Naţionale de Sănătate (NIH), de bursele de licenţă Pelotonia şi de bursele de cercetare pentru studenţi din statul Ohio.
