U jezgri svake naše stanice nalazi se DNK, dvostrukolančana spiralno zavijena molekula koja tvori gene, šifrirane biološke informacije i podatke za rast, razvoj i funkcioniranje stanice i cijelog organizma. Molekula DNK je gusto zamotana i „upakirana“, tvoreći strukture koje zovemo kromosomi. Genetske informacije pohranjene u našim kromosomima predstavljaju svojevrsne „upute za rad“ svih stanica u našem tijelu. S obzirom da svaka tjelesna stanica sadrži iste kromosome, to znači da svaka stanica u sebi nosi potpuno isti skup svih gena (tzv. genom) i potpuno isti skup „uputa“.

No, kako znamo, sve naše stanice nisu identične, tako da različite vrste stanica - poput mišićnih, jetrenih, krvnih ili živčanih - imaju vrlo različite karakteristike, oblik, veličinu i funkcije. Kako nastaju te razlike, ako svaka od njih u sebi nosi iste kromosome, tj. istu DNK, isti genski „zapis“, isti genom? Odgovor na to pitanje leži u regulaciji gena, biološkim procesima koji različitim stanicama dopuštaju „čitanje“ i izvršavanje samo onoga dijela genskih uputa koji je specifičan upravo za tu vrstu stanica.

Nobelova komisija švedskog Karolinska instituta, kao što to čini svake godine u ovo doba, objavila je prošloga tjedna dodjelu Nobelove nagrade za područje fiziologije ili medicine. Ovogodišnji dobitnici - za otkriće mikroRNK i njene uloge u posttranskripcijskoj regulaciji gena - su genetičari Victor Ambros i Gary Ruvkun.

Predmet intreresa Ambrosa i Ruvkuna bilo je pitanje kako se unutar istog organizma stanice - korištenjem identičnog genskog „kompleta“ u svojim kromosomima - uspijevaju razvijati na različite načine i u različitim smjerovima. Tijekom svojeg istraživačkog rada otkrili su mikroRNK, novu klasu vrlo malenih RNK ​​molekula za koje se uspostavilo da igraju ključnu ulogu u regulaciji (aktivaciji ili deaktivaciji) gena. Time je otkriven potpuno novi princip kontrole gena koji se pokazao esencijalnim za sve višestanične organizme, uključujući i ljude. Daljnja su istraživanja otkrila da ljudski genom kodira više od tisuću različitih vrsta mikroRNK, koje su se pokazale temeljno važnima za razvoj i funkcioniranje različitih stanica i tkiva našeg organizma.

Ključna regulacija

Ovogodišnja Nobelova nagrada dodijeljena je dakle za otkriće regulatornog mehanizma koji se koristi za kontrolu ekspresije gena. Podsjetimo se srednjoškolskog gradiva iz biologije, pa ponovimo da se iz genoma (cjelokupnog slijeda svih gena "zapisanih" u DNK) informacije i "upute za rad stanice" prenose na glasničku RNK (mRNK, messenger RNA) procesom koji se zove prepisivanje (transkripcija), a potom ih mRNK prenosi do ribosoma, staničnih „strojeva za proizvodnju proteina“. Tamo se informacije iz mRNK prevode (tzv. translacija) u kodove po kojima se u ribosomima iz aminokiselina proizvode proteini -- a sve to prema genetskim uputama originalno pohranjenim u DNK. Od sredine 20. stoljeća naovamo nekoliko je temeljnih znanstvenih otkrića detaljno razjasnilo kako ti procesi funkcioniraju.

Kako smo već spomenuli, naši organi i tkiva sastoje se od mnogo različitih vrsta stanica, a sve one u svojoj DNK (u svojim kromosomima) imaju pohranjene identične genetske informacije. Međutim, te različite stanice proizvode uzajamno različite, stanično-specifične vrste proteina. Kako je to moguće? Odgovor leži u preciznoj regulaciji aktivnosti gena, tako da je u svakoj specifičnoj vrsti stanice aktivan samo određeni, točno „propisani“ skup gena. To omogućuje, primjerice, mišićnim stanicama, crijevnim stanicama i različitim vrstama živčanih stanica da obavljaju samo svoje specijalizirane funkcije. Povrh toga, aktivnost gena se mora neprestano „fino podešavati“ kako bi se stanične funkcije prilagodile promjenjivim uvjetima u našim tijelima i okolišu. Ako regulacija gena pođe po zlu, to može dovesti do ozbiljnih patoloških poremećaja poput raka, dijabetesa ili autoimunih bolesti. Stoga je shvaćanje načina na koji se provodi regulacija aktivnosti gena bio važan cilj brojnih istraživača i znanstvenika već desetljećima.

Tragajući za principima regulacije gena, još 1960-ima je pokazano da se određeni proteini (nazvani faktori transkripcije) mogu vezati na specifične regije na DNK i tako kontrolirati protok genetskih informacija određujući koje glasničke mRNK se transkribiraju i prevode. Od tada je identificirano nekoliko tisuća faktora transkripcije i vjerovalo se da su tim otkrićima razjašnjeni glavni principi regulacije gena. Međutim, ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade su 1993. godine objavili nova, neočekivana otkrića koja su ukazivala na postojanje posve drukčije razine regulacije gena nego što su faktori transkripcije.

Mali crv - veliko otkriće

Victor Ambros i Gary Ruvkun su u 1980-im godinama bili postdoktorandi u laboratoriju Roberta Horvitza, koji je i sâm, zajedno sa Sydneyjem Brennerom i Johnom Sulstonom, dobio Nobelovu nagradu 2002. godine za otkriće principa ​​genetske regulacije razvoja organa i programirane stanične smrti.

Ambros i Ruvkun su u Horvitzovom laboratoriju proučavali genetiku oblića Caenorhabditis elegans, nimalo elegantnog valjkastog crva dugačkog samo 1 milimetar. Unatoč svojoj skromnoj veličini, C. elegans posjeduje mnogo različitih specijaliziranih tipova stanica - poput živčanih, crijevnih i mišićnih - kakve se nalaze i u znatno složenijim većim životinjama, što ga čini korisnim modelom za istraživanje razvoja i sazrijevanja tkiva u višestaničnim organizmima. Ambros i Ruvkun bili su zainteresirani za gene koji kontroliraju „tajming“ aktivacije različitih genetskih programa, čime se osigurava da se različiti tipovi stanica razviju u pravo vrijeme. Pokušavajući identificirati mutirane gene i razumjeti njihovu funkciju, proučavali su dva mutirana soja crva (s mutacijama gena lin-4 i lin-14) kod kojih su te mutacije uzrokovale pogreške u vremenu aktivacije genetskih programa.

Ambros je prvo otkrio da je gen lin-4 tzv. negativni regulator (blokator) gena lin-14, no još nije bilo poznato na koji način se izvršavalo to blokiranje. Zaintrigirani ovim mutacijama i njihovim potencijalnim uzajamnim odnosom, Ambros i Ruvkun su nastavili istraživanja u tom smjeru, pa je nakon završetka postdoktorskog istraživanja u Horvitzovom laboratoriju, Victor Ambros analizirao mutanta lin-4 u svom novoosnovanom laboratoriju na Sveučilištu Harvard. Uspio je klonirati gen lin-4, što je dovelo do neočekivanog otkrića: gen lin-4 je kodirao proizvodnju malene molekule RNK, znatno kraće od „standardne“ mRNK, koja je izgledala kao da joj je nedostajao messaging, onaj dio koji bi trebao u ribosome donijeti „poruku“ o proizvodnji proteina. Pa ipak, premda je ta mala RNK (mikroRNK) bila „uskraćena“ za mogućnost prenošenja informacije u ribosome, sve je ukazivalo da je unatoč tome na neki drugi način odgovorna za inhibiciju lin-14. Postavilo se pitanje: kako to funkcionira?

Istovremeno, Ruvkun je u svom novoosnovanom laboratoriju u Općoj bolnici Massachusetts i Medicinskom fakultetu Harvard istraživao regulaciju gena lin-14. Za razliku od toga kako se tada znalo da regulacija gena funkcionira, Ruvkun je pokazao da lin-4 ne inhibira proizvodnju mRNK iz lin-14, nego da se blokiranje događa u kasnijoj fazi putem „gašenja“ već započete proizvodnje proteina. Štoviše, otkrio je dio strukture lin-14 mRNK na kojem se odvijala inhibicija djelovanjem lin-4 mikroRNK. Dvojica znanstvenika su usporedila svoja otkrića, što je rezultiralo revolucionarnim otkrićem: genska sekvenca na lin-4 mikroRNK odgovarala je komplementarnim sekvencama u kritičnom segmentu lin-14 mRNK kao što ključ odgovara ključanici.

Objedinjavajući svoja dva odvojena istraživanja u zajdnički projekt, Ambros i Ruvkun su izveli daljnje pokuse pokazujući da lin-4 mikroRNK blokira lin-14 mRNK tako što se veže na komplementarne sekvence mRNK, blokirajući proizvodnju proteina lin-14. Time je otkriven novi princip regulacije gena posredovan dosad nepoznatom vrstom RNK - mikroRNK! Rezultati su objavili 1993. u dva članka u časopisu Cell.

Objavljeni rezultati isprva su naišli na skoro potpuni izostanak reakcije znanstvene zajednice: premda su rezultati bili zanimljivi, nov i neobičan mehanizam regulacije gena smatrao se posebnošću C. elegansa , vjerojatno nevažnom i neprimjenjivom na ljude i druge složenije životinje. Ta se percepcija promijenila sedam godina kasnije, kada je 2000. godine Ruvkunova istraživačka skupina objavila svoje otkriće druge mikroRNK, kodirane let-7 genom. Za razliku od lin-4, gen let-7 bio je prisutan u cijelom životinjskom carstvu. Taj je članak izazvao veliko zanimanje i pokrenuo svojevrsnu lančanu reakciju daljnjih istraživanja, pa su tijekom sljedećih godina identificirane na  stotine različitih mikroRNK.

Danas znamo da postoji više od tisuću gena za različite mikroRNK kod ljudi i da je regulacija gena pomoću mikroRNK univerzalna među višestaničnim organizmima.

Putem mapiranja (analiziranja genskog koda) novih mikroRNK, eksperimenti koje je provelo nekoliko neovisnih istraživačkih skupina su razjasnili mehanizme kojima se mikroRNK proizvode i dostavljaju komplementarnim ciljnim sekvencama u reguliranim mRNK. Vezanje mikroRNK dovodi do inhibicije sinteze proteina ili do degradacije mRNK. Intrigantna je činjenica da jedna mikroRNK može regulirati ekspresiju više različitih gena, i obrnuto - jedan gen može regulirati više mikroRNK, čime se koordiniraju i fino podešavaju cijele mreže gena.

Stanični strojevi za proizvodnju funkcionalnih mikroRNK također se koriste za proizvodnju drugih malih molekula RNK u biljkama i životinjama, na primjer kao način zaštite biljaka od virusnih infekcija. Andrew Z. Fire i Craig C. Mello , nagrađeni Nobelovom nagradom 2006., opisali su RNK interferenciju, gdje se specifične mRNK-molekule inaktiviraju dodavanjem dvolančane RNK stanicama.

Sićušne RNK od velike fiziološke važnosti

Regulacija gena mikroRNK, koju su prvi otkrili Ambros i Ruvkun, djeluje već stotinama milijuna godina. Taj je mehanizam omogućio evoluciju sve složenijih organizama. Iz genetskih istraživanja znamo da se stanice i tkiva bez mikroRNK ne bi mogli razvijati normalno. Pogreške u mikroRNK mehanizmima regulacije mogu doprinijeti nastanku i razvoju raka, a kod ljudi su pronađene genske mutacije mikroRNK koje uzrokuju bolesti kao što su prirođeni gubitak sluha, poremećaji građe oka i kostiju. Mutacije u jednom od proteina potrebnih za proizvodnju mikroRNK rezultiraju sindromom DICER1, rijetkim, ali teškim autosomno dominantnim stanjem povezanim s pojavom višestrukih karcinoma u raznim organima i tkivima (tumore bubrega, štitnjače, jajnika, mozga, oka i pluća).

Otkriće negativne regulacije gena lin-14 u malom crvu C. elegans  neočekivano je i otkrilo novu dimenziju regulacije gena, ključnu za sve složene oblike života. MikroRNK su postale središte mnogih biomedicinskih istraživanja koja proučavaju njihov potencijal u dijagnostici i terapiji bolesti. MikroRNK su ključne u regulaciji gena u različitim tkivima, što ih čini ciljevima za terapijske intervencije u metaboličkim poremećajima, kardiovaskularnim bolestima, neurodegenerativnim stanjima i malignim tumorima. Zbog svoje sposobnosti da precizno reguliraju ekspresiju gena, mikroRNK su predmet intenzivnih istraživanja s ciljem razvoja novih pristupa u liječenju.

Važnost mikroRNK seže i do temeljnih bioloških istraživanja, gdje su te male RNK molekule pokazale da mogu „podešavati“ funkcije proteina uključenih u ključne biološke procese. Ova sposobnost fine regulacije omogućava organizmima da održe homeostazu i adekvatno reagiraju na okolišne izazove. S obzirom na to, mikroRNK ne samo da sudjeluju u razvoju i funkciji tkiva, već imaju i ključnu ulogu u odgovoru na patogene i u adaptaciji na promjene u okolišu.

Tehnološki napretci u molekularnoj biologiji i sekvenciranju omogućili su detaljnije proučavanje mikroRNK i njihovih ciljanih mRNA, što sve zajedno doprinosi boljem razumijevanju njihove uloge u genetskoj mreži. Sve ove informacije ukazuju na to da je otkriće mikroRNK otvorilo novu granu u genetici i molekularnoj biologiji, dajući priliku za dublje razumijevanje složenih regulacijskih procesa koji omogućuju život višestaničnih organizama.

MikroRNK su postale neizostavan dio modernih biomedicinskih istraživanja i terapeutskih pristupa zbog njihove važnosti u fundamentalnim biološkim procesima i potencijala za liječenje bolesti. Otkrića mikroRNK stoga ne samo da obogaćuju naše razumijevanje biologije i genetike, već pružaju i nove mogućnosti za razvoj terapija koje ciljaju temeljne uzroke bolesti na molekularnoj razini.

^{Igor „Doc“ Berecki je pedijatar-intenzivist na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Pobornik teorijske i praktične primjene medicine i znanosti temeljene na dokazima, opušta se upitno ne-stresnim aktivnostima: od pisanja znanstveno-popularnih tekstova i objavljivanja ilustracija u tiskanom izdanju časopisâ BUG, crtkanja računalnih grafika i primijenjenog dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, fejsbučkog blogiranja o životnim neistinama i medicinskim istinama, sve do kuhanja upitno probavljivih craft-piva i sasvim probavljivih jela, te neprobavljivog sviranja bluesa.}