Kvarkadabrin fokus: Pojasnjeno prepoznavanje dvoverižne RNA

    V nenehni borbi z bakterijami in virusi imamo celo vrsto mehanizmov, s katerimi se branimo pred njimi. Prva obrambna vrsta so posebni celični receptorji, ki prepoznajo dele bakterij, npr. lipide, sladkorje ali nukleinske kisline, ki je gostiteljska celica nima, in sprožijo ustrezne odzive celic in tako sporočijo telesu prisotnost tujih organizmov. Kljub temu, da so ti receptorji znani že dalj časa, pa njihovega delovanje še ne razumemo najbolj. Razumevanje prepoznavanja bakterijskih kompont bo vodilo tudi v razvoj novih učinkovin, ki ne bodo po nepotrebnem aktivirala imunskega sistema. Pred kratkim je slovenska skupina razložila kako receptorji prepoznajo virusno dvoverižno RNA in odkritje objavila v najpomembnejši znanstveni reviji za strukturno biologijo. Delo je še posebej pomembno za slovensko znanost, saj je bilo v celoti opravljeno v slovenskem laboratoriju, vsi avtorju raziskave prihajajo s Kemijskega inštituta v Ljubljani. O podrobnostih odkritja smo se pogovorili z vodjo raziskave prof. Romanom Jeralo.

    Kaj?(Referenca)
    A second binding site for double-stranded RNA in TLR3 and consequences for interferon activation. Nature Structural and Molecular Biology 2008 Jul;15(7):761-3. 

    Kdo?(Avtorji)

    Roman Jerala, Karolina Ivičak, Nina Pirher, Mojca Benčina in Jelka Pohar (od leve proti desni). Raziskovalci Laboratorija za biotehnologijo Kemijskega inštituta v Ljubljani (dve podiplomski študentki biomedicine, ena študentka mikrobiologije ter dva raziskovalca). Spletna stran laboratorija: http://www.ki.si/raziskovalne-enote/l12-laboratorij-za-biotehnologijo/ 

    Kje?  (“slovenska”, “evropska” ali “svetovna” raziskava?)
    »svetovna raziskava«, objavljeno v Nature Structural and Molecular Biology, delo je bilo v celoti opravljeno v Laboratoriju za biotehnologijo Kemijskega inštituta 

    Zakaj?(Kako bi izsledke razložili svoji babici, dedku, teti, stricu…?)
    V naravi smo nenehno izpostavljeni bakterijam in virusom, ki bi nas brez zaščite imunskega sistema hitro premagali. Prva stopnja aktivacije imunskega sistema je prepoznavanje okužbe z mikroorganizmi, ko nato sproži ustrezen odziv. Za to prepoznavanje skrbijo receptorji na površini celic imunskega sistema. Pred kakšnim desetletjem so odkrili Tollu-podobne receptorje (imenovane po nemški besedi »Toll« – krasno, dobro, kot je ob pogledu na celice mutirane vinske mušice vzkliknila Nobelova nagrajenka Nusslein-Volhart). No, med temi receptorji TLR3 prepoznava dvoverižno RNA, ki se nahaja predvsem v virusih in je zato pomemben dejavnik v obrambi pred virusnimi okužbami. Naš prispevek je bil, da smo pojasnili kako ta receptor prepoznava dvoverižno RNA samo nad določeno velikostjo. Sklepali smo, da sta za to potrebni dve vezalni mesti na TLR3. Do takrat še neznano mesto smo dejansko tudi napovedali v strukturi in eksperimentalno potrdili. Gre za res eleganten mehanizem, saj razdalja med vezalnima mestoma na receptorju ustreza dvema zavojema dvoverižne nukleinske kisline v A-obliki konformacije oz. 21 baznim parom. Ta razporeditev omogoča razlikovanje med A- in B-obliko, ki se med seboj razlikujeta po dolžini zavoja (glej sliko). To odkritje je omogočilo pojasnitev več kot 30 let stare »konformacijske hipoteze aktivacije interferona«, ki omogočijo protivirusno delovanje. Zelo pomemben rezultat raziskave je mehanizem, kako receptor prepoznava ne samo virusno RNA ampak tudi kratko interferenčno RNA (siRNA), ki predstavlja eno izmed najbolj perspektivnih vrst zdravljenja. Za odkritje siRNA sta Fire in Mello leta 2006 prejela Nobelovo nagrado za medicino. Naše odkritje bo omogočilo razvoj oblik siRNA, ki ne bodo nepotrebno aktivirale imunskega sistema. 

    Na sliki je prikazan del receptorja TLR3, ki prepozna dvoverižno RNK (levo). S kroglicami so označene aminokisline, ki v dveh vezalnih mestih specifično prepoznajo dvoverižno RNA v A-obliki (vsredini), ne pa v B-obliki (desno). 

    Kako?(Kje se je najbolj zatikalo?)
    Naša raziskava je lep primer uspeha biokemijskega vpogleda v delovanje naravnih procesov. Na osnovi eksperimentalnih rezultatov in molekularnega modela smo postavili hipotezo, da mora obstajati še drugo vezalno mesto, ki bi receptorju zagotovilo prepoznavanje daljših segmentov RNA. Izkazalo se je, da smo zadeli v polno in naš model je skoraj identičen dejanski strukturi, ki je bila nedavno objavljena v reviji Science. Kot se na področju biokemije pogosto zgodi smo prišli do rezultatov, ki so potrjevali hipotezo zelo hitro, vendar smo potem potrebovali še skoraj celo leto da smo izvedli vse zahtevne kontrolne eksperimente, ko so študentke res trdo delale v laboratoriju. Molekularna imunologija je pač eksperimentalna veda, kjer je poleg dobrih idej nujno potrebna tudi eksperimentalna spretnost. Področje na katerem delamo se izredno hitro razvija in o tem priča tudi dejstvo, da so do podobnih zaključkov v roku nekaj tednov poleg naše prišle tudi skupini iz ZDA in Japonske.

    Na nedavni odlični konferenci o Tollu-podobnih receptorjih z več kot 500 udeleženci, tudi dosedanjimi (in zelo verjetno bodočimi) nobelovci je Nina Pirher, prva avtorica raziskave, prejela nagrado za najboljši poster. 

    Kam? (Naslednja velika stvar na vašem področju?)
    Ljudje imamo 11 Tollu-podobnih receptorjev, ki prepoznavajo različne molekule, ki so značilne večinoma za patogene mikroorganizme. Tako obstaja še kar nekaj zanimivih pomembnih problemov. V naši skupini smo najbrž najbliže razvozlavanju mehanizma najbolj zapletenega izmed družine TLRjev, namreč TLR4, ki prepoznava bakterijski endotoksin, ki sproži sepso in terja veliko stotisoče življenj letno samo znotraj EU. Poleg spoznanj o delovanju imunskega sistema nam bodo po drugi strani prav spoznanja, kot je opisan članek pomagala, da bomo razvili nove učinkovine, s katerimi bomo vplivali bodisi na premočan ali prešibek odziv imunskega sistema. Zanimivo, da po desetletjih uporabe na osnovi empiričnih spoznanj šele sedaj razumevamo mehanizme delovanja številnih zdravil. Ena pomembnih usmeritev skupine v prihodnje bo prav priprava nove generacije cepiv, kjer nameravamo izkoristiti nova spoznanja. Pokazalo se je namreč, da najbolj učinkovita cepiva, npr. proti rumeni mrzlici aktivirajo več Tollu-podobnih receptorjev. Imunski sistem je sicer zelo kompleksen, vendar menimo, da lahko z racionalno izbiro tarče pripravimo nova zdravila.