Śpiączka afrykańska, czyli afrykańska trypanosomoza, atakuje m.in. układ nerwowy i bez leczenia może prowadzić do ciężkich zaburzeń neurologicznych.
Choroba Chagasa, występująca głównie w Ameryce Łacińskiej, przez lata może rozwijać się skrycie, a później uszkadzać m.in. serce i przewód pokarmowy. W obu przypadkach problemem jest nie tylko samo zakażenie, lecz także trudność w skutecznym i bezpiecznym leczeniu.
W badaniach nad świdrowcami ważne jest więc poznanie procesów, bez których pasożyt nie potrafi normalnie funkcjonować – zwłaszcza tych, które działają inaczej niż w komórkach człowieka. Zainteresowanie naukowców wzbudził ALPH1, nietypowy enzym usuwający czapeczkę z mRNA.
Badają go Dawid Dzadz, doktorant Uniwersytetu Warszawskiego, dr hab. Maria Górna, prof. ucz., z Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych i Wydziału Chemii UW, oraz naukowcy z Niemiec, Brazylii i Czech.
Instrukcja, którą komórka musi umieć zniszczyć
Cała historia ALPH1 zaczyna się od mRNA. To robocza kopia instrukcji genetycznej, na podstawie której komórka produkuje białko. Taka instrukcja nie może jednak krążyć w komórce bez końca. Gdy przestaje być potrzebna, musi zostać usunięta.
mRNA jest cząsteczką nietrwałą, dlatego komórka zabezpiecza ją z obu stron. Na jednym końcu znajduje się tzw. ogon poli(A), na drugim tzw. czapeczka, czyli zmodyfikowana cząsteczka guanozyny przyłączona do końca 5′ mRNA.
Czapeczka chroni mRNA przed przedwczesną degradacją i pomaga komórce prawidłowo wykorzystać zapisaną w nim informację.
Jednym ze sposobów skierowania mRNA do degradacji jest usunięcie czapeczki. Ten proces nazywa się dekapowaniem mRNA.
Świdrowce robią to inaczej
U większości eukariontów, czyli organizmów, których komórki mają jądro, za usuwanie czapeczki z mRNA odpowiada enzym DCP2.
Świdrowce i pokrewne im kinetoplastydy są jednak wyjątkiem: nie mają typowego DCP2, lecz wykorzystują inny enzym – ALPH1, spokrewniony z bakteryjnymi fosfatazami ApaH.
To właśnie ta odmienność czyni ALPH1 tak interesującą.
Nie chodzi tylko o biochemiczną ciekawostkę, ale o mechanizm, który może odróżniać pasożyta od komórek gospodarza.
Żeby sprawdzić, jak działa ALPH1, naukowcy musieli najpierw uzyskać czyste białko enzymu.
W tym celu wyizolowali gen kodujący ALPH1, wprowadzili go do komórek bakterii Escherichia coli, a następnie oczyścili wyprodukowane białko metodami biochemicznymi. Dopiero wtedy mogli badać enzym w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych.
– Sprawdzaliśmy aktywność enzymu ALPH1 w różnych temperaturach, przy zmiennym pH oraz w obecności jonów metali. Okazało się, że enzym zachowuje aktywność w szerokim zakresie warunków, co pokazuje, że jest pod tym względem wyjątkowo odporny – mówi Dawid Dzadz.
Gdzie dokładnie enzym zdejmuje czapeczkę?
Najważniejsze pytanie brzmiało więc nie tylko: czy ALPH1 potrafi zdjąć czapeczkę z mRNA. Równie ważne było to, jaki ślad zostawia po tej reakcji. Enzym nie odcina czapeczki byle gdzie.
Przecina konkretne wiązanie w krótkim fosforanowym łączniku, który spaja czapeczkę z nicią RNA. A od miejsca tego cięcia zależy, z jakim zakończeniem zostaje później cząsteczka RNA.
– Wyjątkowość ALPH1 polega na tym, że odcina czapeczkę mRNA w innym miejscu niż klasyczny enzym DCP2. DCP2 przecina zwykle wiązanie między pierwszą a drugą resztą fosforanową, licząc od strony nici RNA. ALPH1 rozszczepia połączenie między drugą a trzecią resztą fosforanową, dlatego pozostawia RNA zakończone dwiema resztami fosforanowymi – tłumaczy naukowiec.
Po co komu RNA z dwiema resztami fosforanowymi?
Nietypowe działanie ALPH1 może mieć też znaczenie praktyczne w laboratorium. Enzym pozwala otrzymywać RNA z charakterystycznym zakończeniem – dwiema resztami fosforanowymi.
– Ta różnica może znaleźć zastosowanie praktyczne, m.in. w produkcji mRNA zakończonego dwiema resztami fosforanowymi. W przyszłości takie rozwiązanie mogłoby służyć do selektywnego znakowania i oczyszczania wybranych populacji RNA, a także do kontrolowanego usuwania czapeczki z określonych cząsteczek – wyjaśnia badacz.
Enzym z bakteryjnym rodowodem
Badaczy zaskoczyło jeszcze jedno. ALPH1 nie działał równie szybko na każdą czapeczkę. Lepiej radził sobie z jej prostszą wersją, pozbawioną jednej z chemicznych modyfikacji. To ważne, bo mRNA świdrowców zwykle ma czapeczkę bardziej „doposażoną” chemicznie.
Można to sobie wyobrazić jak różnicę między prostym zamkiem a zamkiem z dodatkowym zabezpieczeniem. ALPH1 szybciej otwiera ten prostszy. Ten, którego pasożyt faktycznie używa w swoich cząsteczkach mRNA, jest dla enzymu trudniejszy do usunięcia.
– Jednym z zaskakujących odkryć był fakt, że enzym preferuje cząsteczki mRNA z czapeczką niemetylowaną, podczas gdy mRNA w komórce świdrowców jest metylowane. Taka preferencja może być elementem regulacyjnym: wolniejsze odcinanie czapeczki mogłoby przedłużać obecność mRNA w komórce pasożyta – dodaje Dawid Dzadz.
To kolejny trop pokazujący, że ALPH1 nie jest zwykłym zamiennikiem klasycznego enzymu DCP2.
Słaby punkt
Żeby sprawdzić, w których częściach ALPH1 może być najbardziej podatny na zablokowanie, naukowcy przyjrzeli się też jego budowie. Pomogły w tym modele przygotowane z użyciem sztucznej inteligencji, a dokładniej AlphaFold 3 – narzędzia, które przewiduje przestrzenny kształt białek.
Okazało się, że dla działania enzymu ważne jest nie tylko samo „centrum robocze”, w którym zachodzi reakcja chemiczna. Znaczenie ma też końcowy fragment białka. Gdy go usunięto, enzym nadal potrafił działać, ale robił to wyraźnie słabiej.
A wcześniejsze badania wskazywały, że ten fragment jest potrzebny, aby ALPH1 prawidłowo funkcjonował w komórce pasożyta.
I właśnie tu pojawia się wątek potencjalnych leków. Jeśli świdrowiec potrzebuje ALPH1 do kontrolowania losu mRNA, a sam enzym działa inaczej niż podobne mechanizmy u człowieka, można szukać cząsteczek, które go zablokują.
Zaburzenie pracy ALPH1 mogłoby utrudnić pasożytowi zarządzanie własnymi instrukcjami genetycznymi: tym, które mRNA ma zostać wykorzystane, a które rozłożone.
– Enzym jest niezbędny do życia pasożyta, więc oczywistą dla nas strategią jest zablokowanie jego działania. W naszych badaniach testujemy różne cząsteczki chemiczne blokujące aktywność enzymu. Wykorzystują one różne mechanizmy: niektóre wiążą się nieodwracalnie z enzymem, inne z metalem w centrum aktywnym, dzięki czemu blokują aktywność enzymu. Aby zaprojektować leki na zakażenia świdrowcem, projektujemy małe cząsteczki chemiczne hamujące aktywność ALPH1. Te prace nadal trwają – podsumowuje badacz.
Jeszcze nie lek, ale bardzo obiecujący trop
Badania nad ALPH1 nie oznaczają, że lek na śpiączkę afrykańską czy chorobę Chagasa jest już blisko. To raczej etap, na którym naukowcy próbują dokładnie opisać jeden z mechanizmów życia pasożyta i sprawdzić, czy może on stać się punktem wyjścia do dalszych prac.
Znaczenie tych badań polega więc nie na prostej obietnicy: „odkryto enzym, będzie lek”. Udało się pokazać proces, który może mieć znaczenie zarówno dla biologii świdrowców, jak i dla technologii pracy z RNA w laboratorium.
Teraz można pytać dalej: które elementy ALPH1 są kluczowe dla pasożyta, czy da się je skutecznie zablokować i czy taka blokada rzeczywiście zaburzy jego funkcjonowanie.
W nauce właśnie tak często zaczyna się droga do nowych terapii. Nie od gotowego rozwiązania, ale od znalezienia różnicy, której wcześniej nie rozumieliśmy.
