Miliardy lat temu, gdy prymitywne formy życia stawały się coraz bardziej złożone, samolubny składnik genetyczny stał się swego rodzaju kolonizatorem genomu. Korzystając z mechanizmu kopiowania i wklejania, ten szkodliwy fragment kodu replikował się i wielokrotnie wstawiał do różnych genomów.

Z czasem kod odziedziczyły wszystkie organizmy eukariotyczne – łącznie z nami. W rzeczywistości ten starożytny element genetyczny stanowił około jednej trzeciej ludzkiego genomu i do niedawna był uważany za śmieciowe DNA.

Ten składnik genetyczny znany jest jako LINE-1, a jego agresywna ingerencja w genom może siać spustoszenie, prowadząc do mutacji powodujących chorobę. Kluczowe białko zwane ORF2p umożliwia jego powodzenie, co oznacza, że ​​zrozumienie struktury i mechaniki ORF2p może naświetlić nowe potencjalne cele terapeutyczne w przypadku różnych chorób.

Teraz, we współpracy z kilkunastu grupami akademickimi i przemysłowymi, naukowcy Rockefellera po raz pierwszy renderowali rdzeń struktury białka w wysokiej rozdzielczości, ujawniając szereg nowych spostrzeżeń na temat kluczowych mechanizmów chorobotwórczych LINE-1. Wyniki opublikowano w Natura.

„Prace ułatwią racjonalne projektowanie leków ukierunkowanych na LINE-1 i mogą prowadzić do nowatorskich terapii i strategii zwalczania raka, chorób autoimmunologicznych, neurodegeneracji i innych chorób związanych ze starzeniem się” – mówi starszy autor John LaCava, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Rockefellera .

Ewolucyjni koledzy

LINE-1 to retrotranspozon, rodzaj mobilnego kodu genetycznego, który tłumaczy RNA z powrotem na DNA, replikując się i zapisując w różnych miejscach genomu organizmu. Istnieją różne rodzaje retrotranspozonów, w tym retrowirusy endogenne (ERV), które przypominają HIV i wirusowe zapalenie wątroby typu B (HBV).

Pochodzenie LINE-1 jest niejasne, ale ma ewolucyjne powiązanie z intronami grupy II, klasą starożytnych ruchomych elementów, których historia sięga około 2,5 miliarda lat. Retrotranspozony, takie jak LINE-1, ewoluują wraz z organizmami gospodarzy od 1 do 2 miliardów lat.

„To ciągła bitwa pomiędzy LINE-1 próbującą wstawić się sama a gospodarzem chroniącym swój własny genom” – mówi współautor Trevor van Eeuwen, doktorant w Laboratorium Biologii Komórkowej i Strukturalnej Rockefellera.

W naszych komórkach znajdują się miliony fragmentów genetycznych pochodzących z LINE-1. Zdecydowana większość to nieaktywne relikty ewolucyjne, dowody nieudanych prób przejęcia maszynerii replikacyjnej. Ale około 100 LINE-1 działa i zwykle nie jest pomocne. Jak opisano w niedawnym badaniu przeprowadzonym przez LaCava, Michaela P. Routa i ich współpracowników, jedno białko wytwarzane przez LINE-1, znane jako ORF1p, jest produkowane przez komórki nowotworowe.

LaCava i Martin Taylor z Massachusetts General Hospital i Harvard Medical School wspólnie badali LINE-1 i jego białka przez ponad dekadę, ale ponieważ ORF2p wyraża się tak słabo i rzadko, pozostaje słabo poznany. „LINE-1 była bardzo trudna do zbadania, ponieważ ma bardzo dziwne cechy” – mówi LaCava.

„Na przykład ma niezwykły cykl replikacji i białko ORF2p, którego nikt nie był w stanie wychwycić. Ale Marty i ja w końcu dotarliśmy do miejsca, w którym nasze badania nad nim były na tyle zaawansowane, że mogliśmy rozpocząć badanie jego struktury”.

Taylor poczynił kluczowe postępy w oczyszczaniu pełnej długości ORF2p, a także krótszej wersji „rdzeniowej”, która ułatwia replikację L1; postępy te ułatwiły następujące po nich przełomy.

Wszechstronny specjalista

Korzystając z połączenia krystalografii rentgenowskiej i krio-EM, zespół badawczy odkrył dwie nowe złożone domeny w rdzeniu ORF2p, które przyczyniają się do zdolności LINE-1 do tworzenia własnych kopii.

ORF2p posiada adaptacje strukturalne specjalnie dostosowane do tych przedsięwzięć, mówi van Eeuwen. Jest to rodzaj uniwersalnego białka, zdolnego poradzić sobie ze wszystkim, od replikacji po insercję. Ale chociaż większość wirusów potrzebuje potencjalnie setek białek odwrotnej transkryptazy do replikacji, ORF2p robi to wszystko.

Jednak kiedy LINE-1 jest aktywowana w cytoplazmie, „działa jak naśladowca wirusa. Tworzy hybrydy RNA:DNA, które po wykryciu wyglądają jak infekcja wirusowa” – zauważa van Eeuwen. Ta wirusowa mimikra sugeruje możliwe rozwiązanie zagadki, w jaki sposób ORF2p aktywuje wrodzony układ odpornościowy, przyczyniając się do chorób autoimmunologicznych i innych schorzeń.

Badania wykazały, że interakcje z materiałem genetycznym w cytoplazmie aktywują szlak przeciwwirusowy cGAS/STING. Z kolei szlak ten powoduje, że komórki wytwarzają interferony, stymulując układ odpornościowy i prowadząc do stanu zapalnego, w sposób analogiczny do tego, co dzieje się podczas infekcji wirusowej.

„Wydaje się, że jego główną funkcją jest proliferacja własnych kopii, a gdy LINE-1 przemieszcza sekwencje, istnieje ryzyko, że sekwencje te mogą złamać gen” – mówi. „Ale istnieje również szansa, że ​​mogą stworzyć nowe elementy genetyczne lub nowe funkcje, które będą korzystne dla żywiciela”.

Ścieżka przed nami

W przyszłości badacze będą starali się rozwiązać dwie nowo odkryte domeny podstawowe i poznać ich funkcje. W międzyczasie „nasze strukturalne wyjaśnienie ORF2p kładzie podwaliny pod przyszłe badania potrzebne do przeanalizowania i lepszego zrozumienia mechanizmu insercji LINE-1, jego ewolucji i roli w chorobie” – mówi van Eeuwen.

Chcą także zbadać potencjalne zastosowania kliniczne swoich odkryć. Ponieważ istnieje pokrewieństwo między retrotranspozonami i retrowirusami, w bieżącym badaniu przetestowano metody leczenia retrowirusów HIV i HBV, aby sprawdzić, czy będą hamować LINE-1. Tak się nie stało, co sugeruje, że projekt środków terapeutycznych będzie musiał zostać dostosowany do unikalnych cech LINE-1.

„Ta praca otwiera drzwi do racjonalnego projektowania leków lepszych inhibitorów LINE-1 i mamy nadzieję, że wkrótce doprowadzą one do badań klinicznych” – mówi LaCava.

Jak dodaje Rout: „To badanie podkreśla również potencjał integracji wielu rodzajów danych – i wiedzy wielu laboratoriów – w celu rozwiązania podstawowych problemów biomedycznych”.