Aaron Robart, assisterande professor, WVU School of Medicine, Institutionen för biokemi. Upphovsman:Aira Burkhart/West Virginia University
Cirka 70 procent av det mänskliga genomet kodar inte för någonting. När det transkriberas till RNA – instruktionerna som våra celler följer när de gör proteiner – innehåller det mesta av meddelandet ingen användbar information. Som West Virginia University-forskaren Aaron Robart uttryckte det, det är "skräp-DNA".
Robart studerar hur celler katalyserar borttagningen av detta icke-kodande skräp för att förstå det RNA som finns kvar. Att göra det, han kommer att använda bakterier som trivs i varma källor. National Institutes of Health har tilldelat honom 1,6 miljoner dollar för det femåriga projektet.
Hans fynd kan fördjupa vad vi vet om störningar kopplade till förändringar i genuttryck - som diabetes och cancer - och avslöja mer om det mänskliga genomets evolution.
Att lära känna våra bakteriella förfäder
"Man tror att livet på jorden har sitt ursprung med katalytiskt RNA, sade Robart, en biträdande professor i biokemi vid Medicinska skolan. "Innan det fanns proteiner, innan det fanns DNA, innan det fanns celler, RNA veckades upp till komplex, tredimensionella strukturer och ta reda på livets kemi."
Denna primitiva process ligger fortfarande till grund för hur celler bringar ordning på kodande och icke-kodande RNA idag, om dessa celler är en del av en människa, en hyena, en hortensia eller en Helicobacter-bakterie. Genom att undersöka hur enkla organismer utför denna uppgift, forskare som Robart kan extrapolera sina resultat och bättre förstå hur mer komplexa livsformer – inklusive oss – gör det, för.
Genom att kartlägga kristallstrukturer som denna, forskare kan bättre förstå de biokemiska processer som gör livet möjligt. Aaron Robart, en biträdande professor vid Institutionen för medicinsk biokemi, har tilldelats 1,6 miljoner dollar från National Institutes of Health för att studera biokemi och kristallografi som ligger till grund för RNA-skarvning. RNA är den fungerande ritning som celler följer när de utför instruktionerna kodade i DNA. Splitsning av RNA bildar sammanhängande instruktioner för proteinsyntes, men det kan också leda till skadliga förändringar i genuttryck. Kredit:Aira Burkhart/West Virginia University
"Inom dina celler, DNA är din huvudkopia. Det är transkriberat till en fungerande ritning av RNA, och sedan används RNA som instruktioner för att göra proteiner. Det enda problemet är, instruktionerna är något förvrängda. Exoner är bitar av RNA som läses som instruktioner för att göra proteiner. Dock, de avbryts ofta av icke-kodande introner, " sa Robart.
Han liknar processen med en katt som går över ditt tangentbord medan du skriver något. Orden du har skrivit är exoner; nonsensen din katt "typar" är introner.
Innan dina celler ens kan försöka göra vad RNA säger åt dem, de måste ta bort dessa introner och föra samman exonerna för att bilda en sammanhängande uppsättning instruktioner. En utarbetad molekylär maskin som kallas spliceosomen utför denna uppgift, som - hos människor - involverar många olika RNA och hundratals proteiner.
Bakteriers primitiva katalytiska introner fungerar på samma sätt som vårt eget skarvningsmaskineri, om än på ett mindre komplicerat sätt. De är förfäder till spliceosomer som arbetar i våra egna celler. "Du ser deras fingeravtryck överallt i de väsentliga maskiner som driver våra cellulära funktioner. Vi använder dessa molekylära fossiler för att ge oss insikter i den katalytiska kärnan som driver dessa maskiner, " sa Robart.
En osannolik proxy för mänskliga celler:varma källors bakterier
Robart kommer att använda en art av exotiska, värmeälskande bakterier som modell. Arten är fördelaktig eftersom den producerar mycket aktiva och stabila enzymer som splitsar och omkonfigurerar RNA.
"Vi tillbringade ungefär ett och ett halvt år med att testa dussintals olika exempel för att hitta ett fåtal arter som hade proteiner som var anpassningsbara för rening från överexpressionssystem på höga nivåer, eftersom vi behöver mycket protein för att försöka göra kristallisation, " sa han. "Vi har upptäckt ett av de mest aktiva enzymerna i den här klassen, från en termofil bakterie som trivs i varma källor. "
Efter att ha odlat och isolerat proteiner och RNA i stora volymer, han och hans team kommer att analysera de biokemiska processerna som uppstår i cellerna när introner skarvas, släppt och demonterat. De kommer också att fjärrstyra Argonne National Laboratorys avancerade fotonkälla – vilket kommer att utsätta de kristalliserade molekylerna för ultraljus, högenergiröntgen—för att fånga ögonblicksbilder av processens kemi i aktion och lära dig om de molekylära mekanismerna bakom den.
Inte bara kommer Robart och hans team att få insikt i hur spliceosomen skär ut icke-kodande RNA, men de kommer också att urskilja hur skräp-DNA förökas genom att infoga det någon annanstans i genomet. Det är som om, istället för att ta bort gobbledygook som din katt infogade i ditt dokument, du kopierar och klistrar in det i ett helt annat stycke.
Denna process - kallad retrotransposition - kan ligga till grund för olika tillstånd som härrör från genetiska mutationer. "Det är en drivande funktion av genomutvecklingen och även av sjukdomar, "Robart sa." Spontana mutationer uppstår från dessa processer som pågår i oss hela tiden. "
Även om hans projekt inte behandlar någon enda sjukdom eller behandling, vad han avslöjar kan lägga grunden för att utveckla RNA-baserade terapier som syftar till att kontrollera de underliggande förändringarna i genuttryck som finns i många sjukdomar.
"Vi försöker förstå grunderna, " Sa Robart. "Du kan inte försöka fixa något förrän du förstår hur det fungerar."
