EN / DA
Krop og sind

Hjælp! Hvorfor har cellerne så meget RNA uden umiddelbar funktion?

Cellekernen producerer langt mere ubrugeligt RNA end brugbart RNA. En dansk forskergruppe har hænderne langt inde i evolutionens motorrum for at finde hoved og hale i det hele.

Dine celler svømmer bogstaveligt talt rundt i RNA, som de ikke umiddelbart bruger til noget som helst. Faktisk kan forskere kun redegøre for funktionen af dét RNA, som 2–3 procent af genomet laver. Resten af RNA’et kender de ikke funktionen af, hvis det da overhovedet har nogen.

Selvom det umiddelbart ubrugelige RNA ikke har nogen direkte funktion, kan det alligevel godt spille ind i vores helbred. Et sindrigt system af forskellige proteinkomplekser beskytter og nedbryder både det funktionelle RNA og det umiddelbart ubrugelige RNA, og hvis mutationer opstår i nogle af disse proteinkomplekser, lurer kræft, sygdomme i nervesystemet eller andre sygdomme lige om hjørnet.

Derfor er forskere meget interesserede i at finde ud af, hvordan det ubrugelige RNA påvirker cellernes og ultimativt organismens velbefindende, og hvordan kroppens celler regulerer, hvilket RNA skal destrueres og hvad skal gemmes.

”Forskning i disse cellulære processer er forskning i de fundamentale processer for, hvordan vores genom fungerer. Det er evolutionens og biologiens hjerteblod, og man kan let forestille sig, at hvis disse processer ikke fungerer, som de skal, så oversvømmes cellerne af ubrugeligt RNA, der kan lave alt mulig ravage,” fortæller forskeren bag et nyt stort forskningsprojekt inden for området, Torben Heick Jensen, Professor, Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet.

Novo Nordisk Fonden har for nylig tildelt Torben Heick Jensen en stor Challenge Programme-bevilling til over de næste 6 år sammen med kollegaer fra Syddansk Universitet i Odense og Max Planck Institute of Biochemistry i Martinsried, Tyskland at smøge ærmerne op og stikke hænderne, reagensglassene og mikroskoperne langt ind i biologiens motorrum.

Kender kun til funktionen af få procent af kroppens RNA

Arbejdet i Torben Heick Jensens forskningsgruppe består meget enkelt i at finde ud af, hvordan celler bestemmer, om RNA skal bevares eller destrueres.

RNA er den måde, som DNA bliver funktionelt på. Hvert eneste af genomets gener er arkitekttegningen til et protein, og ud fra genet danner kroppens celler stykker af RNA – messenger RNA (mRNA) – der kan blive oversat til proteiner.

Andre stykker af RNA, fx transfer RNA (tRNA) og ribosomalt RNA (rRNA), har strukturelle roller og støtter oversættelsesprocessen uden dog selv at blive oversat til protein.

Og så er der alt det andet RNA, som indtil videre får forskere til at rive sig i håret.

”Der findes meget forskelligt RNA, som har forskellige roller uden at være kodende, men som stadig er vigtigt. Lægger vi alt det RNA, som vi kender til funktionen af, sammen, redegør vi kun for sølle to til tre procent af vores genom,” forklarer Torben Heick Jensen.

Fejl i reguleringen af RNA kan føre til kræft

Kroppens celler udfører konstant en balanceakt for at sortere i det brugbare og det ubrugelige RNA, og hvis kroppens celler ikke opretholder en ordentlig RNA-hygiejne, kan tingene hurtigt gå galt.

Til dette formål er cellerne udstyret med forskellige proteinkomplekser, der kan bevare eller nedbryde stykker af RNA inde i cellekernen. Hvis disse proteinkomplekser har defekter, eksempelvis på grund af en mutation, mister cellen dog næsten med det samme muligheden for at fungere ordentligt.

Årsagen er, at RNA – både det brugbare og det ubrugelige – bliver dannet hele tiden, og hvis der ikke bliver sorteret i det, binder alt det umiddelbart ubrugelige RNA til proteiner, som det ikke skal binde til, og så ophører helt fundamentale cellefunktioner.

Hvis helt fundamentale cellefunktioner bliver sat ud af spil, starter det en kaskadeeffekt, der i sidste ende påvirker helbredet. Mutationer i dé proteiner, som sikrer en god RNA-hygiejne, er derfor også koblet til forskellige sygdomme, som fx kræft og sygdomme i nervesystemet.

”I neuroner spiller RNA-biologi en stor rolle, så det er ofte hér, vi ser sygdomme i forbindelse med mutationer i RNA-nedbrydningskomplekserne, uden at vi dog kan sige, at der er et 1:1-forhold mellem mutationer og specifikke sygdomme,” siger Torben Heick Jensen.

Ikke desto mindre åbner forskning i de cellulære RNA-nedbrydningsprocesser op for forskellige medicinske muligheder.

Torben Heick Jensen forestiller sig blandt andet, at man ved hjælp af genteknologien CRISPR kan rette på fejl i de komplekser, som nedbryder RNA, og derved undgå at mennesker udvikler sygdomme i nervesystemet eller kræft.

”Vi forsker ikke selv i det, men det er perspektiverne, og andre undersøger potentialet i dén retning,” siger han.

Var blandt pionererne til at finde nyt RNA

Torben Heick Jensen og hans forskningsgruppe forsker i de proteinkomplekser, der nedbryder RNA’et, som ikke har noget umiddelbart formål.

For 10–15 år siden troede forskere ikke, at størstedelen af genomet overhovedet blev oversat til noget og slet ikke RNA uden funktion, men det har blandt andet Torben Heick Jensens egen forskning vist, at det gør.

Forskergruppen på Aarhus Universitet publicerede i 2008 i Science et forsøg, hvor de satte en del af RNA-nedbrydningsmaskineriet ud af spil, og cellen producerede enorme mængder RNA, som man ikke tidligere havde kendt til, fordi det blev nedbrudt lige så hurtigt, som det blev dannet.

”Vi fandt en eksplosion i nyt RNA, som ingen havde set før. På den front var vi medpionerer i at opdage, at celler indeholder meget mere RNA, end vi havde forestillet os. Den store udfordring inden for feltet er nu mere præcist at finde ud af, hvorfor cellerne oversætter genomet til RNA, som ikke umiddelbart har nogen funktion,” fortæller Torben Heick Jensen.

RNA kan give evolutionær mening

Men hvorfor tillader evolutionen overhovedet, at en celle bruger kostbare ressourcer på at lave RNA, som alligevel ikke har nogen funktion og bliver nedbrudt med det samme? Det virker som spild.

Men for Torben Heick Jensen giver det faktisk ganske god mening, hvis man ser det ud fra et evolutionært synspunkt.

Den konstante produktion af RNA gør, ifølge Torben Heick Jensen, genomet levende. Genomet bliver på den måde til en dynamisk værktøjskasse med en masse potentielle nye værktøjer, som måske kan få en funktion i fremtiden eller værktøjer som havde en funktion i fortiden.

Det kan tænkes, at nogle stykker af RNA en dag kommer til at kode for et protein, som er gavnligt for cellen eller organismen i den ene eller anden henseende. Hvis ikke RNA’et bliver udtrykt, kan cellen aldrig afprøve disse potentielle muligheder. Den vil i så fald kun have adgang til genomet, hvilket svarer til at have en tegning af en hammer uden at have selve hammeren. Det er svært at afgøre, om en hammer er anvendelig, hvis man ikke afprøver den i den virkelige verden.

”Evolutionært giver det rigtig god mening at have et dynamisk genom, som man kan afprøve ting med. Det kræver dog, at man også har maskineriet til at opretholde hygiejnen,” siger Torben Heick Jensen.

Proteinkompleks nedbryder RNA

Det specifikke nedbrydningskompleks, som Torben Heick Jensen tidligere satte ud af spil i sin forskning, hedder RNA-exosomet.

RNA-exosomet destruerer RNA ved ukritisk at pille RNA-bestanddele fra hinanden. De fleste RNA-exosomer findes inde i selve cellekernen, hvor genomet bliver oversat til RNA, så hvis RNA skal have muligheden for at blive til skabelonen for dannelsen af et protein, skal det hurtigst muligt ud af cellekernen, inden et RNA-exosom får fat i det og nedbryder det.

Cellekernen er et meget barskt sted at være for RNA, mens cytoplasmaet uden for cellekernen er et helle.

Til at hjælpe de anvendelige RNA-stykker med at flygte fra cellekernens skærsild og samtidig spænde ben for RNA uden funktion, har evolutionen udstyret cellerne med en stribe proteinkomplekser med forskellige funktioner.

Foruden RNA-exosomerne findes der også andre proteinkomplekser, adapterkomplekser, der binder til exosomerne og hjælper dem med at identificere det rigtige RNA, der skal splittes.

Der findes også proteinkomplekser, der binder til specifikke RNA-stykker og beskytter dem mod exosomerne, samtidig med at de sørger for at guide RNA’et ud af cellekernen. Det er navnlig de stykker RNA, som senere skal oversættes til funktionelle proteiner.

Samspillet mellem de forskellige proteinkomplekser afgør altså, hvilke stykker RNA undslipper cellekernen, og hvilke nedbrydes lige så hurtigt, som de er blevet skabt.

”Kompleksiteten af hele systemet bliver ikke mindre af, at noget RNA har en funktion i nogle celler, men ikke andre. Derfor skal hver celle udstyres med specifikke proteinkomplekser, der sørger for, at netop de rigtige stykker RNA bliver udtrykt som proteiner i cytoplasmaet i netop den specifikke celletype, mens andre ikke gør,” forklarer Torben Heick Jensen.

Opdagede to proteinkomplekser, der afgør RNA’s skæbne

I forhold til dette projekt, Torben Heick Jensens forskningskarriere har haft to store højdepunkter: i henholdsvis 2011 og 2016 identificerede hans forskergruppe to adapterproteinkomplekser, nemlig de proteiner som hjælper exosomerne med at genkende de stykker RNA, der skal nedbrydes.

Disse adapterkomplekser sorterer for exosomerne og overdrager de RNA-stykker til dem, som skal nedbrydes.

Torben Heick Jensen har netop fået bevilliget penge til at forske yderligere i at identificere og kortlægge adapterkomplekser.

Ud over at kortlægge den præcise struktur af de allerede identificerede komplekser håber Torben Heick Jensen på, at hans forskergruppe også kan finde nye adapterkomplekser.

”Måske findes der 5 til 10 adaptere i alt. Det kommer lidt an på, hvor bredt man kigger. Humane cellelinjer kan have nogle, mens stamceller godt kan have andre. Det skyldes, at stamceller har en lidt anden biologi og har brug for et andet RNA-udtryk for at forblive pluripotente og fortsat have muligheden for at kunne differentiere sig til forskellige celletyper. Kan vi i løbet af de 6 år, som projektet varer, finde ét eller to nye adapterkomplekser, vil det være en stor succes,” fortæller Torben Heick Jensen.

Kortlægger adapterkomplekser ned i mindste detalje

Hvis forskerne finder nye adapterkomplekser, vil de arbejde med at kortlægge deres strukturer, og det skal de indledningsvis gøre med de to adapterkomplekser, som de allerede har fundet.

Når forskerne kortlægger strukturerne skal de først finde de gener, der skaber proteinerne i proteinkomplekserne. Derefter skal de udtrykke generne i en bakterie-, gær- eller pattedyrscelle, så de kan lave nok af proteinerne til at kunne studere dem yderligere.

Når Torben Heick Jensen og kollegaerne er lykkedes med at producere store mængder af adapterproteinerne, skal de forsøge at få dem på krystalform, så de kan skyde røntgenstråler gennem dem.

Teknikken hedder røntgenkrystallografi, og proteinernes refleksion af røntgenstrålerne afspejler strukturen af det specifikke protein.

Sideløbende skal forskerne også kigge på proteinerne under elektronmikroskop og tage hundredvis af billeder af dem.

Teknikken hedder kryoelektronmikroskopi, hvor forskere tager en masse utydelige billeder af et protein for efterfølgende at bruge billedbehandlingsprogrammer til at sammensætte billederne til ét skarpt billede af proteinet.

Protein kan bruges til at finde flere adapterkomplekser

Forskningsarbejdet ér i gang, og forskerne fra Aarhus Universitet, Syddansk Universitet og Max Planck Institute of Biochemistry har kortlagt nogle meget interessante strukturelle aspekter af de to adapterkompleksstrukturer, som de kan bruge til muligvis at finde endnu flere af slagsen.

Begge proteinkomplekser har en proteindel, som er vigtig for, at exosomet kan fungere. Proteindelen hedder MTR4, og Torben Heick Jensen forestiller sig, at hvis to adapterproteinkomplekser har denne essentielle proteindel for at kunne interagere optimalt med exosomerne, har andre potentielle adapterproteinkomplekser det måske også.

”Hvis det koncept holder, kan vi bruge MTR4 til at finde andre adapterkomplekser. Det er den tilgang, vi har,” siger Torben Heick Jensen.

Opbygning af RNA bestemmer, om det skal destrueres

Kortlægningen af de allerede fundne adapterkomplekser, og eventuelle fund af nye, vil gøre forskere meget klogere på, hvad der foregår inde i cellekernerne, når RNA bliver dannet, nedbrudt eller beskyttet.

Torben Heick Jensen forestiller sig et meget dynamisk skæbnevalg for alle RNA-stumper.

Når RNA’et bliver produceret, genkender adapterkomplekser det i løbet af millisekunder. Men interaktionen med et adapterkompleks er ikke statisk.

Adapterkomplekser binder og slipper konstant RNA’et i en ligevægt mellem de exosomer, som vil destruere RNAet, og de proteiner, der vil hjælpe RNA’et med at komme ud af cellekernen og i sikkerhed.

”De RNA-stykker, som kommer ud af cellekernen, har generelt færre af de nukleotidsekvenser, som kaldes introns, i sig end de stykker RNA, som ikke bliver eksporteret fra cellekernen. Det peger på en mekanisme, som cellerne bruger til at genkende de brugbare stykker RNA fra de ikke-brugbare. Hele genkendelsesprocessen har vi dog ikke helt forstået, men det skal vi nok komme til,” forklarer Torben Heick Jensen.

RNA kan måske have en effekt, som vi ikke kender til

Samlet set skal forskningen også munde ud i en bedre forståelse af, om det umiddelbart ubrugelige RNA har andre funktioner end at fungere som en dynamisk værktøjskasse for evolutionen.

Torben Heick Jensens forskning har vist, at RNA lever meget kort i cellekernen, men derfor er det alligevel muligt, at en del af RNA’et har en funktion i den korte tid, som det trods alt eksisterer i, før det bliver nedbrudt.

”Vi tror umiddelbart, at meget af det bare bliver lavet for at blive nedbrudt igen, men derfor kan noget af det godt have en forbigående effekt, som vi også meget gerne vil kende mere til,” siger Torben Heick Jensen.

The MTR4 helicase recruits nuclear adaptors of the human RNA exosome using distinct arch-interacting motifs” er udgivet i Nature Communications. “Escaping nuclear decay: the significance of mRNA export for gene expression” er udgivet i Current Genetics. “Controlling nuclear RNA levels” er udgivet i Nature Reviews Genetics.Torben Heick Jensen modtog i 2018 et Novo Nordisk Foundation Challenge Programme-bevilling til projektet “Function, structure, regulation and targeting of exosome adaptor complexes”.

Torben Heick Jensen
Professor
The regulation and fidelity of gene expression is of paramount importance for the maintenance and differentiation of all living organisms. Our laboratory studies the production and turnover of RNA in eukaryotic cells (S. cerevisiae, mouse and human) and its contribution to gene expression regulation at the post-transcriptional level. A main focus of the laboratory is to understand the molecular principles dictating the sorting of newly transcribed RNA into a productive pathway involving its packaging with protein and cellular transport vs. a destructive pathway leading to RNA turnover. Laboratory efforts can roughly be divided into four research topics: · Delineation of nuclear human RNA decay pathways and their regulatory capacities · Regulatory capacities of pervasive transcription · Shaping of human transcriptomes by nonsense-mediated decay (NMD) · Relationships between RNA synthesis and decay in S. cerevisiae From 2005-2015 Torben Heick Jensen was heading the Danish National Research Foundation-funded ‘Centre for mRNP Biogenesis and Metabolism’. These, and other, efforts are now continued via funding from the European Research Council (ERC), the Danish Council for Independent Research, the Novo Nordisk foundation, the Lundbeck Foundation and the Danish Cancer Society.