Scientia

Atunci când celulele sunt supuse unor factori de stres care le ameninţă existenţa, acestea acţionează rapid pentru a se proteja. Printre altele, celulele încep să producă proteine care execută sarcini vitale, ca repararea ADN-ului. Mecanismul complet - în articolul de mai jos.

Cercetătorii de la MIT şi de la Universitatea din Albany au descoperit recent mecanismul prin care celulele intensifică producţia de proteine. În numărul 16 din luna decembrie al revistei PLoS Genetics, aceştia au scris că în condiţii de stres, celulele reprogramează un sistem complicat de modificări chimice al moleculelor ARN care citesc codul genetic şi furnizează elementele constitutive ale proteinelor.

Este probabil că acest mecanism se declanşează nu doar în cazurile de răspuns celular la stimuli stresanţi, ca în cazul expunerii la substanţe chimice toxice ori radiaţii, dar şi în cazul expunerii la hormoni, factori de creştere şi nutrienţi - menţionează Peter Dedon, profesor de inginerie biologică şi coautor al lucrării menţionate. Dedon studiază actualmente cum foloseşte bacteria acest sistem pentru a răspunde la stresul generat de atacul globulelor albe; rezultatele cercetărilor ar putea fi folosite pentru a crea noi antibiotice care să poată învinge sistemul de apărare al bacteriilor.

De la ADN la proteine

ADN-ul este orchestratorul principal al activităţii oricărei celule, dar pentru că nu poate părăsi nucleul celular, are nevoie de molecule care să-l ajute să-şi execute instrucţiunile. Genele - secvenţele de acid nucleic care codifică diferitele tipuri de proteine - sunt copiate în ARN mesager, care transportă "reţeta" pentru proteină din nucleu la ribozomi, unde proteinele sunt asamblate. Codul genetic din ARN mesager este citit la nivelul ribozomului ca o serie de secvenţe din câte 3 litere, fiecare generând câte un aminoacid specific (care reprezintă constituenţii proteinelor).

Aminoacizii sunt transmişi către ribozom de un alt tip de ARN, ARN-ul de transfer. Ca şi alte tipuri de ARN, ARN-ul de transfer constă dintr-o secvenţă de patru ribonucleozide: adenosina, guanosina, citidina şi uridina. După ce ARN-ul de transfer este sintetizat, ribonucleozidele suferă o serie de modificări chimice care schimbă structura şi funcţia ARN-ului de transfer.

În urmă cu câţiva ani, Thomas Begley, profesor asociat la Universitatea din Albany, a descoperit că pentru a supravieţui unui tratament cu toxine, drojdia are nevoie de acţiunea enzimelor care modifică ARN-ul de transfer.

Una dintre gene codifică o enzimă care racordează un grup metilic (un atom de carbon legat de trei atomi de hidrogen) la bazele ribonucleozidelor. Această modificare îmbunătăţeşte eficienţa sintezei proteinei la nivelul ribozomului, în mod special pentru proteinele care conţin aminoacidul arginină. După căutarea în genomul drojdiei a acelor gene care sunt bogate în arginină, Begley a descoperit că acele gene sunt de importanţă capitală în mecanismul de apărare al celulelor împotriva agentului toxic. Modificarea ARN-ului de transfer necesar pentru a produce acele proteine permite celulei să sintetizeze proteinele mai repede şi cu o mai mare acurateţe, în acest fel celulele având o reacţie de apărare mult mai eficientă.

Modele de răspuns

În cercetarea descrisă în PLoS Genetics, Begley şi Dedon arată că au lucrat împreună pentru a examina toate cele 25 de modificări ale ARN-ului de transfer găsite în drojdie (cele mai multe organisme au între 20 şi 40). Dedon şi colegii acestuia au reuşit să folosească tehnica denumită spectroscopie de masă (cu ajutorul căreia se poate identifica structura unui compus necunoscut prin analizarea masei acestuia), pentru a măsura dintr-o dată nivelurile celor 25 de modificări ale ARN-ului de transfer. Apoi cercetătorii au tratat celulele de drojdie cu una dintre patru substanţe chimice toxice: MMS, perhidrol, arsen ori înălbitor.

După tratare, nivelurile de modificare ale ARN-ului de transfer au crescut şi descrescut, în funcţie de substanţa folosită. Folosind o metodă de analiză statistică variată, cercetătorii au urmărit identificarea unor modele; pentru fiecare tip de substanţă chimică folosită au reuşit să descopere un răspuns caracteristic. Ca o demonstraţie convingătoare a importanţei modificărilor ARN-ului pentru supravieţuirea celulei, cercetătorii au reuşit să învingă protecţia oferită de proteinele care sintetizau modificările care apăreau pentru fiecare toxină şi au arătat că celulele devin astfel mult mai expuse distrugerii prin folosirea substanţelor chimice. Studiul acelor gene care au cea mai mare influenţă în modificările ARN-ului de transfer pot conduce la indicii importante privind modul în care celulele tratează factorii stresanţi majori.

Tao Pan, profesor de biochimie şi biofizică moleculară la Universitatea din Chicago, crede că studiul invalidează o presupunere care durează de multă vreme conform căreia moleculele de ARN de transfer se găsesc în aceeaşi stare de-a lungul întregii vieţi: "Anterior s-a crezut că modificarea ARN de transfer este statică. Acest studiu arată că în condiţii de stres, nivelul de modificare continuă să se schimbe. Următorul pas este să înţelegem cum şi de ce fac celulele acest lucru".

Dedon şi Begley doresc să investigheze rolul modificărilor ARN-ului de transfer din celulele umane. Studii anterioare au sugerat că asemenea modificări pot suprima dezvoltarea tumorilor, iar înţelegerea acestor sisteme ar putea conduce la diagnostice mai bune în ceea ce priveşte cancerul. "De exemplu, dacă celulele prezintă un anumit nivel de modificări ale ARN-ului de transfer, acest lucru ar putea indica o stare imediat anterioară declanşării bolii", crede Begley.

Articolul reprezintă traducerea acestui articol, de pe site-ul MIT, cu acordul editorului.