Biologia molecular: L’Assemblea Nobel del Karolinska Institutet ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Medicina o Fisiologia a Victor Ambros i Gary Ruvkun "per la descoberta del microRNA i del seu rol en la regulació gènica post-transcripcional". Aquesta descoberta es realitzà en el 1993 en l'organisme model Caenorhabditis elegans. Ambros i Ruvkun es repartiran el premi en parts iguals.
Victor Ambros
Victor Ambros (*Hanover, New Hampshire, 1.12.1953) pujà com a fill d’un refugiat polonès de guerra, Longin Ambros, en el si d’una família de vuit germans en una petita granja lletera de Hartland, a Vermont. Es graduà en biologia al Massachusetts Institute of Technology (1975). Allà realitzà la tesi doctoral sota la supervisió de David Baltimore (*1938) sobre la proteïna que es troba unida covalentment a l’extrem 5’ de l’ARN genòmic del poliovirus, que defensà reeixidament el 1979. Llavors s’integrà com a investigador postdoctoral al laboratori de H. Robert Horvitz (*1947), també en el MIT. El 1984 passà a la Harvard University, i el 1992 al Dartmouth College. En el 2008 s’integrà a la University of Massachusetts Medical School. Actualment és professor del programa de medicina molecular i professor Silverman de Ciències Naturals a la UMass Chan Medical School, amb seu a Worcester. El seu laboratori treballa en microRNAs i en el control genètic del desenvolupament animal, amb C. elegants com a principal organisme model.
Gary Ruvkun
Gary Bruce Ruvkun (*Berkeley, 26.3.1952) és fill de Samuel Ruvkun i Dora Gurevich. Es graduà en biofísica a la University of California, Berkeley (1973). Es doctorà en biofísica al laboratori de Frederick M. Ausubel (*1945), amb una tesi sobre la genètica molecular de la fixació de nitrogen del bacteri simbiont de llegums Ensifer meliloti, que defensà reeixidament en el 1982. Després passà pel laboratori de Robert Horvitz al MIT i pel de Walter Gilbert (*1932) a Harvard. Actualment és professor de genètica al Massachusetts General Hospital i a la Harvard Medical School, amb seu a Boston. El seu laboratori a la Harvard Medical School treballa en els mecanismes dels microRNA i dels ARN d’interferència, en l’anàlisi genètica de les interaccions microbiòmiques entre bacteris i animals, en el control neuroendocrí de la destoxificació, la immunitat, l’envelliment i l’astrobiologia.
Els microARN en la regulació gènica
El dogma central de la biologia molecular, tal com el formulava Francis Crick en el 1958, assumia que l'àcid desoxirribonucleic (ADN) és el portador de la informació genètica, i aquesta informació era transcrita en àcid ribonucleic (ARN), i l'ARN traduït en proteïna. Una sèrie de proteïnes, alhora, catalitzen les reaccions de replicació i reparació de l'ADN, de transcripció i de traducció. L'ADN resideix en el nucli cel·lular, com a genoma compartit per totes les cèl·lules d'un organisme. Allò que fa diferent a cada tipus cel·lular és el nivell d'expressió de cada gen. I aquesta expressió consisteix en la transcripció del gen d'ADN en un ARN missatger (ARNm) que surt del nucli i és traduït en els ribosomes en una proteïna específica. Val a dir que aquests ribosomes són complexos de proteïnes i d'ARN (ARN ribosòmic). Un tercer tipus d'ARN (ARN de transferència) s'encarregaria de transferir els aminoàcids que s'integraran a les proteïnes de nova síntesi.
Aquest esquema és essencialment vàlid però també és incomplet. No captura tota la complexitat reguladora que fa que a partir d'un mateix genoma hi hagi centenars de tipus cel·lulars, canvis al llarg del cicle vital i una plasticitat influenciable pel medi extern. L'expressió gènica es regulada per proteïnes que actuen com a factors de transcripció, és a dir com a reguladors transcripcionals, determinant el nivell de síntesi de cada ARNm. Altres proteïnes actuen en el pas següent i són reguladors post-transcripcionals.
Vol dir això que l'ARN és un mer pont entre ADN i proteïna? Ja en el 1962 Alexander Rich havia postulat que l'ARN havia estat la primera molècula biològica amb un doble rol hereditari i efector. A principi dels 1980 hom posà de manifest l'existència de ribozims (enzims d'ARN), i el coneixement sobre la maduració de l'ARN a partir de l'anomenat ARN heterogeni nuclear (ARNhn) obria noves perspectives sobre el rol de l'ARN en la regulació gènica pre- i post-transcripcional.
Els treballs d'Ambros i de Ruvkun sobre la diferenciació cel·lular en C. elegans conduïren a la descripció d'una nova classe de petits ARN, els microRNA. Avui sabem que el genoma humà conté més d'un miler de gens de microRNA.
Microfotografia d’un individu adult hermafrodia de ‘C. elegans’ obtinguda per Zeynep F. Altun per www.wormatlas.org.
A final dels 1980 Ambros i Ruvkin eren investigadors postdoctorals al laboratori de Robert Horvitz. Treballaven en C. elegans sobre la regulació de gens implicats en els programes de diferenciació cel·lular. L'adult hermafrodita té una dotació final de 959 cèl·lules després d'una sèrie de duplicacions i diferenciacions altament regulada. Els mutants lin pateixen alteracions d'aquesta regulació dels llinatges cel·lulars. Ambros i Ruvkin estudiaven els mutants lin-4 i lin-14. Ambros havia conclòs que el gen lin-4 era un regulador negatiu (o inhibidor) del gen lin-14. Ambros i Ruvkin es proposaren d’investigar el mecanisme pel qual lin-4 reprimia l’expressió del gen lin-14.
Ja instal·lat Ambros en el seu nou laboratori a Harvard, prosseguí la recerca sobre el mutant lin-4. Aconseguí la clonació del mitjançant una estratègia metòdica de mapatge gènic. Ambros descobrí llavors que el gen lin-4 no responia al patró clàssic de gen codificador de proteïna. El seu producte gènic final era un ARN de baix pes molecular, que per això va rebre la denominació de microRNA. La seqüència del microRNA era de tan sols 22 nucleòtids: AGUGUGAACUCCAGAGUCCCU. Ambros hipotesitzà que aquest microRNA era el responsable de la repressió del gen lin-14.
Paral·lelament Ruvkun continuà la recerca sobre el gen lin-14 en el seu nou laboratori format a cavall del Massachusetts General Hospital i la Harvard Medical School. La clonació de lin-4 permeté estudiar el mecanisme d’inhibició de lin-14. Inicialment pensà que el producte gènic de lin-4 seria capaç de reprimir l’expressió del gen lin-14 a través d’una reducció de la transcripció d’aquest gen, és a dir de la síntesi d’ARNm de lin-14. Però aquest no era el cas, i calia pensar que lin-4 era un modulador post-transcripcional de lin-14, és a dir que actuava en algun moment de l’etapa en la que la informació genètica va de l’ARNm a la proteïna lin-14. Ruvkun aconseguí la clonació del gen lin-14. La seqüenciació revelava l’existència d’una regió complementària a la seqüència del microRNA-lin-12. La seqüència d’aquesta regió de lin-14 era CUCACAACCAACUCAGGGA, de manera que hi havia dues zones de complementarietat, una primera de cinc nucleòtids, i una segona de set nucleòtids (Lee et al., 1993).
Rosalind C. Lee és la primera autora de la publicació de la revista Cell del 1993 en la que es comunicava que el gen heterocrònic lin-4 codifica un petit ARN amb una seqüència antisentit complementària al gen lin-14. En aquest treball explicaven la clonació del gen lin-4 per camí cromosòmic en ‘C. elegans’, i la capacitat del gen clonat de restaurar la funcionalitat de mutants lin-4. Constataven que el gen lin-4 no codifica cap proteïna, però sí trobaren dos petits transcrits de 22 i de 61 nucleòtids, els quals contenien seqüències complementàries a un element repetit en la seqüència de la regió no-traduïda 3’ de l’ARNm de lin-14.
El segment de l’ARNm de lin-14 amb complementarietat amb el microRNA de lin-4 és necessari perquè lin-4 pugui inhibir l’expressió de lin-14 a nivell posttranscripcional. Els experiments d’Ambros i Ruvkun mostraren que el microRNA lin-4 aconsegueix la repressió de l’ARNm lin-14 a través de la unió d’ambdós per les seqüències complementàries. Aquesta repressió impedeix que l’ARNm de lin-14 sigui traduït a proteïna (Whigtman et al., 1993).
Bruce Wightman és el primer autor de l’article de la revista Cell en el que s’elucidava el mecanisme de regulació posttranscripcional del gen lin-14 per lin-4. En la regió 3’ no-traduïda de l’ARNm de lin-14 hi ha seqüències complementàries al microRNA de lin-4. La formació consegüent de dúplex d’ARN interfereix en la traducció de l’ARNm-lin14, amb la consegüent caiguda en la producció de la Lin-14p.
Inicialment la regulació posttranscripcional d’un gen per un altre a través d’un microRNA fou considerada una nota al peu de pàgina del model general de la regulació transcripcional mitjançant per proteïnes d’unió a ADN. Al capdavall el gen lin-4 és relativament específic de nematodes com C. elegans. Això va començar a canviar amb la troballa de nous exemples de microRNAs. En el 2000, el grup de recerca de Ruvkun descobria el microRNA codificat pel gen let-7 (Pasquinelli et al., 2000). El gen let-7 té homòlegs en tot el regne animal. En l’actualitat hom coneix més de 1000 microRNAs codificats en el genoma humà.
Amy Pasquinelli és la primera autora de l’article de Nature en el que es comunicava la conservació de la seqüència i de l’expressió temporal de l’ARN regulador heterocrònic del gen let-7. Si el microRNA de lin-4 de 22 nucleòtids és necessari per transitar de la primera fase larval a la segona en ‘C. elegans’, el microRNA de let-7 de 21 nucleòtids ho és per passar de la darrera fase larval a l’adult. El microRNA de let-7 és present en un ample ventall d’espècies animals, com ara vertebrats, ascidis, hemicordats, mol·luscs, anèl·lids o artròpodes, però no ho és pas ni en cnidaris, ni en porífers, ni en llevats, ni en bacteris ni en plantes. El microRNA de let-7 apareix com a regulador temporal en els estadis larvals finals d’insectes, en adults de mol·luscs o en embrions de peix.
Els microRNAs regulen l’expressió gènica a través de la inhibició de la síntesi de proteïna i/o la degradació de l’ARNm. En termes generals, un microRNA sol ser capaç de regular l’expressió de nombrosos gens diferents. Alhora, un gen pot ésser regulat per tota una llista de microRNAs. Exactament com s’havia vist amb les proteïnes d’unió a ADN que fan de factors de transcripció, som davant d’una autèntica xarxa d’interacció entre gens.
Habitualment el concepte de microRNAs inclou els ARN d’interferència. L’ARNi participa en plantes com a mecanisme immunitari front virus. Aquesta interferència ha estat aprofitada com a eina biotecnològica de modulació gènica.
Lligams:
- Pressmeddelande: Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2024.
- The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Rosalind C. Lee, Rhonda L. Feinbaum, Victor Ambros. Cell 75: 843-854 (1993).
- Posttranscriptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans. Bruce Wightman, Ilho Ha, Gary Ruvkun. Cell 75: 855-862 (1993).
- Conservation of the sequence and temporal expression of let-7 heterochronic regulatory RNA. Amy E. Pasquinelli, Brenda J. Reinhart, Frank Slack, Mark Q. Martindale, Mitzi I. Kuroda, Betsy Maller, David C. Hayward, Eldon E. Ball, Bernard Degnan, Peter Müller, Jürg Spring, Ashok Srinivasan, Mark Fishman, John Finnerty, Joseph Corbo, Michael Levine, Patrick Leahy, Eric Davidson, Gary Ruvkun. Nature 408: 86-89 (2000).
- Gossos de tota mida: selecció natural i artificial d’un al·lel de l’ARN llarg no-codificant IGF-AS. (29/01/2022).
- L’envelliment en vertebrats s’associa a una reducció en l’abundància d’ARN missatgers llargs (11/12/2022).
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada