Vědci z CEITECu Masarykovy univerzity pod vedením Dalibora Blažka popsali novou roli enzymu CDK11 při zpracování RNA. Zjistili, že jeho blokace narušuje úpravu RNA v buňkách. Objev přináší potenciál pro vývoj nových protinádorových léčiv. Výsledky publikoval časopis Nature.
Přehlížený enzym v hlavní roli
Cyklin-dependentní kinázy (CDK) jsou důležité pro regulaci buněčného cyklu, což je proces kontrolující růst a dělení buněk. Byly objeveny již před 35 lety a jejich význam při regulaci buněčného cyklu v roce 2001 potvrdilo udělení Nobelovy ceny. Hrají také klíčovou roli při přepisu genetické informace do RNA, tedy v mezikroku pro tvorbu proteinů v buňkách. Inhibitory blokující CDK byly v posledních letech schváleny pro léčbu rakoviny a u dalších nyní probíhají klinické testy.
Projekt vedený Daliborem Blažkem se zaměřil na studium jednoho z přehlížených členů této skupiny, konkrétně kinázy CDK11, a jejího inhibitoru OTS964. Ten jako úplně první inhibitor CDK11 identifikovali v roce 2019 američtí vědci. Původně se předpokládalo, že tento inhibitor, který na myším modelu vykázal protinádorovou aktivitu, blokuje úplně jiný enzym, ale nakonec se ukázalo, že se zaměřuje právě na CDK11. Objev umožnil detailně studovat funkci CDK11 v buňce a zjistit, jak přesně OTS964 funguje.
Od sestřihu RNA k výzkumu nových terapeutických možností
Molekulárně-biologická laboratoř, v jejímž čele Blažek stojí, studuje CDK11 už více než 12 let. Již při prvních experimentech bylo zřejmé, že tento enzym má v buňkách důležitou roli, ale chyběly nástroje a metody k jeho podrobnému studiu. Po letech práce a získávání předběžných dat se v roce 2016 Blažkovi podařilo získat první grant od GA ČR.
Díky tomu vědci zjistili, že CDK11 hraje klíčovou roli při přepisu specifických genů, které produkují takzvané histony – proteiny obalující DNA. Výzkum Blažkova týmu tak ukazuje novou důležitou funkci enzymu CDK11. Nová znalost může vědcům pomoci nejen lépe pochopit, jak buňky regulují svou genetickou informaci, ale zároveň poskytnout i nové nástroje a efektivní přístupy pro boj s rakovinou a dalšími nemocemi.
Další výzkum, na kterém se vedle Blažkovy skupiny podílely i týmy dalších vědců, ukázal, že CDK11 hraje hlavní roli v sestřihu RNA. V rámci tohoto procesu se z nově vytvořené RNA odstraní nepotřebné části, aby mohla být použita pro výrobu funkčních proteinů. CDK11 je součástí komplexu proteinů, který tento sestřih reguluje.
Když je CDK11 blokována inhibitorem OTS964, proces sestřihu se zastaví. To může mít významný dopad na rakovinné buňky, jejichž množení silně závisí právě na sestřihu RNA. U OTS964 byla již dříve zdokumentována protinádorová aktivita v modelovém organismu, proto má tento objev značný aplikační potenciál. Objev navíc definuje další funkci v buňce, která je regulovaná skupinou lidských CDK.
Finance od GA ČR pomohly výsledkům výzkumu do Nature
Identifikace buněčné funkce CDK11 a charakterizace OTS964 Blažkovým týmem byly publikovány v prestižním časopise Nature (2022). Cesta k tomuto úspěchu však nebyla jednoduchá a velkou roli sehrálo několikaleté financování výzkumu ze strany GA ČR. Na počáteční financování v roce 2016 navázal v roce 2020 další grant a výsledky výzkumu vzbudily velký zájem nejen v akademických kruzích, ale i v biotechnologickém sektoru.
Tento úspěch byl výsledkem spolupráce mnoha odborníků z různých oborů – chemiků Kamila Parucha (Přírodovědecká fakulta MU) a Stefana Knappa (Univerzita Johanna Wolfganga Goetheho, Frankfurt), bioinformatiků Caroline Friedel (LMU, Mnichov) a Igora Ruize de los Mozos (Navarrská univerzita, Pamplona) a molekulárních biologů Jerneje Uleho (Crickův ústav, Londýn) a Zbyňka Zdráhala (CEITEC MU). Právě multidisciplinární přístup byl pro úspěch tohoto komplexního projektu klíčový.
Výzkum byl v minulém roce oceněn Cenou předsedy GA ČR.
Mgr. et Mgr. Dalibor Blažek, Ph.D.
Stříhání a spojování RNA je klíčový proces pro tvorbu bílkovin v našich buňkách. Vědci z Ústavu molekulární genetiky AV ČR odhalili nové bílkoviny, které pomáhají správně poskládat složitý sestřihový komplex – v rolích kadeřníka, dohazovače a Sisyfa. Výzkum podpořený GA ČR tak výrazně posunul znalosti o molekulárních principech mRNA sestřihu.
Jak buňka stříhá a šije RNA
Lidské geny obsahují informace o tom, jaké bílkoviny buňky potřebují a kdy si je mají vyrobit. Před více jak 40 lety bylo zjištěno, že informace pro výrobu bílkovin není v našich genech uložena kontinuálně, ale je přerušována dlouhými úseky DNA, které pro výrobu bílkovin nejsou potřeba. Před syntézou bílkovin je tedy nutné tyto sekvence vyjmout a úseky, které kódují informaci pro přípravu bílkovin, spojit. Proces spojování se neděje na úrovni DNA, ta zůstává netknutá, ale až po přepisu genetické informace do RNA.
V molekule RNA jsou nekódující sekvence identifikovány, z RNA vyjmuty a zbylá část řetězce RNA je poté spojena dohromady. Tomuto procesu se říká mRNA sestřih (mRNA – messenger nebo také mediátorová RNA) a musí probíhat s ohromnou přesností. Pokud by se rozpoznání nekódující sekvence posunulo, byť jen o jediné písmenko genetické abecedy, došlo by ke znehodnocení informace a tato chybná mRNA by nemohla sloužit jako návod pro výrobu bílkoviny.
Tento mRNA sestřih je realizován obrovským tzv. sestřihovým komplexem. Jedná se v podstatě o molekulární nůžky spojené se šicím strojem. Po nalezení rozhraní mezi kódujícím a nekódujícím úsekem molekulární nůžky mRNA nastřihnou a vyjmou nepotřebný kousek RNA a šicí stroj volné konce zase spojí dohromady.
Sestřihový komplex se skládá z 200 různých součástek a je jedním z největších a nejsložitějších molekulárních strojků, které se v našich buňkách nacházejí. Navíc se tento komplex neskládá jen z bílkovin, jak bývá u enzymů katalyzujících různé reakce zvykem. V sestřihovém komplexu se nacházejí i krátké RNA, tzv. snRNA, které jsou klíčové pro navedení nůžek na správné místo a které asistují i při následném sešití volných konců. Složit takto sofistikovaný komplex není nic jednoduchého, a tak není překvapivé, že mnohé mutace v jeho komponentech vedou k defektům v RNA sestřihu, což má za následek různé dědičné poruchy.
RNA u kadeřníka
Kadeřník, dohazovač a Sisyfos v buňce
Laboratoř biologie RNA vedená Davidem Staňkem zkoumá, jak buňky sestřihový komplex skládají a jak zajišťují, aby při jeho formování nedocházelo k chybám. Díky projektu financovanému Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) popsali funkci tří bílkovin, které napomáhají správnému skládání a recyklaci sestřihového komplexu.
Čeští výzkumníci ukázali, že bílkovina Gemin3 je vlastně takový kadeřník, který snRNA „češe“, aby se na ně mohly správně navázat bílkoviny tvořící sestřihový komplex. Pokud je snRNA „rozcuchaná“, její partnerské bílkoviny se na ni nenavážou, což vede k chybám v RNA sestřihu a k odumírání motorických neuronů, které svými nervovými vlákny spojují míchu se svaly.
Vědci se dále soustředili na bílkovinu TSSC4 a zjistili, že pomáhá jednotlivým dílkům sestřihového komplexu najít v chaotickém prostředí buněčného jádra vhodné partnery a správně se s nimi spárovat. V podstatě se jedná o molekulární obdobu Kecala z Prodané nevěsty. Zajímavostí je, že mutace v této bílkovině jsou spojeny s nižší tělesnou výškou, ale není vůbec jasné, proč tomu tak je.
Komplikací, kterým musí naše buňky při mRNA sestřihu čelit, je však více. Sestřihový komplex není stabilní, a kdykoliv na mRNA udělá jeden šev, rozpadne se a buňky ho musí recyklovat a znovu složit. Doslova sisyfovská práce. Při té buňkám asistuje bílkovina SART3, která se na použitý sestřihový komplex váže a pomáhá ho dostat zpět do formy.
Autor článku David Staněk (dole uprostřed) a Laboratoř biologie RNA, Ústav molekulární genetiky AV ČR
Úvodní obrázek: RNA jako Sisyfos
Využití magnetické rezonance je nejviditelnější ve zdravotnictví. Tato metoda je ale neocenitelná rovněž při určování složení nových materiálů anebo třeba proteinů v živých organismech. Zdeněk Tošner z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze vytváří postupy, které vědcům v Česku i ve světě pomáhají měření vylepšit. Za svůj výzkum byl v minulosti nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Díky filmům a seriálům z lékařského prostředí zná téměř každý vyšetření magnetickou rezonancí. Pacient je vsunutý do tunelu, kterým je vlastně velký magnet. S jeho pomocí je možné určit, jak jsou v těle rozmístěna vodíková jádra, čili voda, která tvoří většinu těla. Podle toho pak přístroj zobrazí vnitřní orgány a další struktury.
Toto technicky složité lékařské využití je však ještě relativně jednoduché ve srovnání s magnetickou rezonancí nasazenou na analýzu dalších materiálů.
Nejenom na složení, ale i na struktuře záleží
„V tomto případě nesledujeme jenom vodík, ale také množství různých jiných atomů. Mezi nejběžnější patří uhlík, fosfor, fluor, dusík, který je významný pro proteiny, křemík a hliník v materiálových vědách,“ vysvětluje Zdeněk Tošner.
Magnetická rezonance je založena na spinu, což je kvantová vlastnost částic, kterou klasická fyzika nezná. Jde o vnitřní moment hybnosti, jehož hodnota je pro každou částici přesně daná. Spin mají kromě elementárních částic, jako jsou protony či elektrony, také jádra atomů. A díky tomu se dají nukleární magnetickou rezonancí identifikovat.
„Zkoumaný vzorek vložíme do přístroje se silným magnetickým polem. Spiny částic ve vzorku se částečně zorientují podle magnetického pole, ale hlavně se začnou chovat jako dětská káča, jejíž osa se otáčí kolem svislé polohy. V magnetické rezonanci pak měříme frekvenci takového otáčení. Různá atomová jádra se nacházejí v různě pozměněném lokálním magnetickém poli a otáčejí se různou rychlostí. Podle toho je můžeme odlišit,“ popisuje doktor Tošner. „Není to tak, že okamžitě poznáme, jaké částice nebo atomy uvnitř jsou. Musíme vědět, co hledáme, a tomu přizpůsobíme použitou metodu.“
Ještě podstatnější je, že z výsledků získaných tímto „jaderným kompasem“ se dá vysledovat, jak jsou atomy vzájemně spojeny chemickými vazbami, a také vypočítat jejich pozici v molekule, a to podle toho, jak se atomy v magnetickém poli vzájemně ovlivňují. Tato pozice je významná proto, že určuje strukturu materiálu, z níž vyplývají vlastnosti materiálu.
Výrazně je to vidět například u proteinů. Stává se, že dvě bílkoviny v lidském těle mají úplně stejné chemické složení, ale jedna je užitečná nebo neškodná, kdežto druhá vyvolává onemocnění. Stojí za tím fakt, že má jinou prostorovou strukturu a jinak se váže na lidské tkáně. Díky znalosti této struktury pak vědci mimo jiné vyvíjejí léky, které by se měly „nalepit“ přesně na tvar nechtěného proteinu, a zabránit tak jeho zachycení v tkáních.
Zdeněk Tošner mění měřicí sondu v supravodivém magnetu. (Foto: PřF UK)
Sada postupů pro vědce z celého světa
Některé zkoumané vzorky je možné rozpustit ve vhodném rozpouštědle. V něm se může molekula volně otáčet, díky čemuž se dá lépe změřit. Oproti tomu průmyslové materiály zůstávají v pevném skupenství a také bílkoviny bývají pevně zakotveny v buněčné membráně. Jejich molekuly tedy nemohou volně rotovat. Otáčet se v přístroji musí celý vzorek. Postup měření je proto podstatně složitější. A právě tím se zabývá Zdeněk Tošner, a to i v projektu, na němž spolupracoval s kolegy z Technické univerzity v Mnichově a za který byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Využili při tom takzvanou teorii optimálních procesů, což je matematický postup výhodného řízení složitých činností ovlivňovaných mnoha proměnnými. V tomto případě jde o ozařování vzorků radiofrekvenčními pulzy tak, aby se podařilo získat výsledek co nejdříve a s co největší citlivostí.
„Vypracovali jsme vlastně speciální sadu postupů, které se dají úspěšně využít při charakterizaci nerozpustných proteinů magnetickou rezonancí,“ shrnuje Zdeněk Tošner. Výsledky vědci publikovali v uznávaných odborných časopisech Science Advances, Journal of the American Chemical Society či Angewandte Chemie.
„Kolegové se na nás obracejí s prosbou o radu, který náš postup by měli nejlépe využít ve svých měřeních,“ popisuje využití metody doktor Tošner. „A často se o tom, že náš postup použil někdo v zahraničí, dozvím až z odborné databáze, která zachytí citaci některého našeho článku. Jeho autoři poctivě zaznamenali, že při svém výzkumu použili naše postupy měření. A to potěší.“
RNDr. Zdeněk Tošner. Ph.D.
Narodil se v roce 1976. Vystudoval biofyziku na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze, doktorát z fyzikální chemie získal ve společném programu na Stockholmské univerzitě a Univerzitě Karlově.
Nyní působí na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy. Jeho hlavním vědeckým zájmem jsou metody měření nukleární magnetickou rezonancí.
Projekt nominovaný na Cenu předsedy Grantové agentury ČR: Vývoj experimentů nukleární magnetické rezonance pevné fáze pro studium proteinů pomocí teorie optimálních procesů
Úvodní ilustrace: Umělecké ztvárnění experimentu nukleární magnetické rezonance pro Journal of the American Chemical Society. Práškový vzorek v rotorku se otáčí uvnitř cívky orientované pod úhlem 54,7° vzhledem ke směru vnějšího magnetického pole. Pomocí cívky se vytvářejí sofistikované radiofrekvenční pulzy symbolizované čísly.
Ilustrace: Jan Blahut, Tomáš Belloň
