Eine jahrzehntelange Studie enthüllt den ersten Bauplan der komplexesten molekularen Maschine in jeder Zelle

Forscher am Zentrum für Genomregulation (CRG) in Barcelona haben den ersten Bauplan des menschlichen Spleißosoms erstellt, der komplexesten und kompliziertesten molekularen Maschine in jeder Zelle. Die wissenschaftliche Leistung, deren Vollendung mehr als ein Jahrzehnt dauerte, ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft.

Das Spleißosom bearbeitet aus der DNA transkribierte genetische Botschaften und ermöglicht es Zellen, aus einem einzigen Gen verschiedene Versionen eines Proteins zu erzeugen. Die überwiegende Mehrheit der menschlichen Gene – mehr als neun von zehn – wird vom Spleißosom bearbeitet. Prozessfehler sind mit einem breiten Spektrum von Krankheiten verbunden, darunter die meisten Krebsarten, neurodegenerative Erkrankungen und genetische Störungen.

Die schiere Anzahl der beteiligten Komponenten und die Komplexität seiner Funktion haben dazu geführt, dass das Spleißosom bislang ein schwer fassbares und unbekanntes Gebiet in der Humanbiologie blieb.

Der Bauplan zeigt, dass einzelne Bestandteile des Spleißosoms weitaus spezialisierter sind als bisher angenommen. Viele dieser Komponenten wurden bisher nicht für die Arzneimittelentwicklung in Betracht gezogen, da ihre speziellen Funktionen unbekannt waren. Die Entdeckung kann neue Behandlungen ermöglichen, die wirksamer sind und weniger Nebenwirkungen haben.

„Die Komplexität, die wir entdeckt haben, ist geradezu erstaunlich. Früher haben wir uns das Spleißosom als eine monotone, aber wichtige Maschine zum Ausschneiden und Einfügen vorgestellt“, sagt ICREA-Forschungsprofessor Juan Valcárcel, Hauptautor der Studie und Forscher am CRG.

„Wir betrachten es jetzt als eine Sammlung vieler verschiedener flexibler Meißel, die es Zellen ermöglichen, genetische Botschaften mit einem Maß an Präzision zu formen, das den Marmorbildhauer-Großmeistern der Antike würdig ist. Indem wir genau wissen, was jedes Teil tut, können wir völlig neue Blickwinkel für die Bewältigung eines Problems finden breites Krankheitsspektrum.

Die komplexeste molekulare Maschine der menschlichen Biologie

Jede Zelle im menschlichen Körper ist auf präzise Anweisungen der DNA angewiesen, um richtig zu funktionieren. Diese Anweisungen werden in RNA transkribiert, die dann einen entscheidenden Bearbeitungsprozess namens Spleißen durchläuft. Beim Spleißen werden nicht-kodierende RNA-Segmente entfernt und die verbleibenden kodierenden Sequenzen werden zusammengefügt, um eine Vorlage oder ein Rezept für die Proteinproduktion zu bilden.

Während der Mensch über etwa 20.000 proteinkodierende Gene verfügt, ermöglicht das Spleißen die Produktion von mindestens fünfmal so vielen Proteinen. Einige Schätzungen gehen davon aus, dass der Mensch mehr als 100.000 einzigartige Proteine ​​erzeugen kann.

Das Spleißosom ist eine Ansammlung von 150 verschiedenen Proteinen und fünf kleinen RNA-Molekülen, die den Editierungsprozess steuern. Die spezifischen Rollen seiner zahlreichen Komponenten sind jedoch bisher nicht vollständig verstanden.

Das Team am CRG veränderte nacheinander die Expression von 305 Spleißosomen-bezogenen Genen in menschlichen Krebszellen und beobachtete dabei die Auswirkungen auf das Spleißen im gesamten Genom.

Ihre Arbeit zeigte, dass verschiedene Komponenten des Spleißosoms einzigartige regulatorische Funktionen haben. Entscheidend war, dass sie herausfanden, dass Proteine ​​im Kern des Spleißosoms nicht nur untätige Hilfsarbeiter sind, sondern hochspezialisierte Aufgaben haben, indem sie bestimmen, wie genetische Nachrichten verarbeitet werden, und letztendlich die Vielfalt menschlicher Proteine ​​beeinflussen.

Beispielsweise wählt eine Komponente aus, welches RNA-Segment entfernt wird. Eine weitere Komponente stellt sicher, dass Schnitte an der richtigen Stelle in der RNA-Sequenz vorgenommen werden, während eine andere sich wie ein Begleiter oder Wachmann verhält und andere Komponenten davon abhält, zu früh zu handeln und die Vorlage zu zerstören, bevor sie fertig ist.

Die Autoren der Studie vergleichen ihre Entdeckung mit einer geschäftigen Postproduktion in Film oder Fernsehen, in der aus der DNA transkribierte genetische Botschaften wie Rohmaterial zusammengesetzt werden.

„Viele Dutzend Redakteure gehen das Material durch und treffen schnell Entscheidungen darüber, ob eine Szene in den endgültigen Schnitt kommt. Das ist ein erstaunlicher Grad an molekularer Spezialisierung im Ausmaß großer Hollywood-Produktionen, aber es gibt eine unerwartete Wendung. Jeder der Mitwirkenden.“ „Ich kann eingreifen, die Führung übernehmen und die Richtung vorgeben, anstatt dass die Produktion auseinanderfällt. Es ist ein überraschender Grad an Demokratisierung, den wir nicht vorhergesehen haben“, sagt Dr. Malgorzata Rogalska, Co -korrespondierender Autor der Studie.

Die „Achillesferse“ des Krebses

Eine der wichtigsten Erkenntnisse der Studie ist, dass das Spleißosom stark miteinander verbunden ist, wobei die Störung einer Komponente weitreichende Auswirkungen auf das gesamte Netzwerk haben kann.

Beispielsweise wurde in der Studie die Spleißosomenkomponente SF3B1 manipuliert, von der bekannt ist, dass sie bei vielen Krebsarten, darunter Melanom, Leukämie und Brustkrebs, mutiert ist. Es ist auch ein Ziel für Krebsmedikamente, obwohl die genauen Wirkmechanismen bisher unklar waren.

Die Studie ergab, dass eine Veränderung der SF3B1-Expression in Krebszellen eine Kaskade von Ereignissen auslöst, die ein Drittel des gesamten Spleißnetzwerks der Zelle beeinträchtigen und eine Kettenreaktion von Ausfällen auslösen, die die Fähigkeit der Zelle, das Wachstum voranzutreiben, überfordern.

Der Befund ist vielversprechend, da herkömmliche Therapien, beispielsweise solche, die auf Mutationen in der DNA abzielen, häufig dazu führen, dass Krebszellen resistent werden. Krebserkrankungen passen sich unter anderem an, indem sie ihre Spleißmaschinerie neu verkabeln. Durch gezieltes Spleißen können erkrankte Zellen über einen nicht mehr kompensierbaren Wendepunkt hinaus getrieben werden, was zu ihrer Selbstzerstörung führt.

„Krebszellen weisen so viele Veränderungen am Spleißosom auf, dass sie sich bereits an der Grenze des biologisch Plausiblen befinden. Ihre Abhängigkeit von einem hochgradig vernetzten Spleißnetzwerk ist eine potenzielle Achillesferse, die wir bei der Entwicklung neuer Therapien nutzen können, und unser Plan bietet einen Weg.“ der Entdeckung dieser Schwachstellen“, sagt Dr. Valcárcel.

„Diese bahnbrechende Forschung beleuchtet das komplexe Zusammenspiel zwischen Komponenten des Spleißosoms und gibt Einblicke in seine mechanistischen und regulatorischen Funktionen. Diese Ergebnisse erweitern nicht nur unser Verständnis der Spleißosomfunktion, sondern eröffnen auch potenzielle Möglichkeiten, die RNA-Verarbeitung für therapeutische Interventionen bei mit dem Spleißen verbundenen Krankheiten gezielt einzusetzen.“ Dysregulation“, sagt Dom Reynolds, CSO bei Remix Therapeutics, einem Biotechnologieunternehmen im klinischen Stadium in Massachusetts, das mit dem CRG an der Studie zusammengearbeitet hat.

Spleißbehandlungen in den Mainstream bringen

Abgesehen von Krebs gibt es viele andere Krankheiten, die durch fehlerhafte RNA-Moleküle verursacht werden, die durch Fehler beim Spleißen entstehen. Mit einer detaillierten Karte des Spleißosoms, die die Autoren der Studie öffentlich zugänglich gemacht haben, können Forscher nun dabei helfen, genau zu bestimmen, wo in den Zellen eines Patienten Spleißfehler auftreten.

„Wir wollten, dass dies eine wertvolle Ressource für die Forschungsgemeinschaft ist“, sagt Dr. Valcárcel.

„Medikamente zur Korrektur von Spleißfehlern haben die Behandlung seltener Erkrankungen wie spinaler Muskelatrophie revolutioniert. Dieser Plan kann diesen Erfolg auf andere Krankheiten ausweiten und diese Behandlungen in den Mainstream bringen“, fügt er hinzu.

„Aktuelle Splicing-Behandlungen konzentrieren sich auf seltene Krankheiten, aber sie sind nur die Spitze des Eisbergs. Wir bewegen uns in eine Ära, in der wir Krankheiten auf der Transkriptionsebene angehen und krankheitsmodifizierende Medikamente entwickeln können, anstatt nur die Symptome zu bekämpfen. Die Blaupause, die wir haben.“ „Das, was wir entwickelt haben, ebnet den Weg für völlig neue Therapieansätze“, schließt Dr. Rogalska.