Vědci z Akademie věd ČR a Univerzity Karlovy připravili umělý chemický přepínač DNA citlivý na světlo a učinili tak první krok na cestě k umělé epigenetice – cílenému zapínání a vypínání genů. Jejich práci publikoval prestižní vědecký časopis Chemical Science.
Genetická informace obsažená v DNA se předává během dvou následných, prostorově a časově oddělených procesů vedoucích ke vzniku proteinů. Při prvním procesu, takzvané transkripci, se celá informace jednoho genu přepíše do molekuly RNA (zvané mediatorová, mRNA). Ta potom ve druhém kroku slouží jako vzor, podle nějž se při následné translaci v buňce syntetizuje konkrétní protein.
Nad touto základní úrovní je ovšem ještě druhá úroveň, epigenetika, která určuje, které geny jsou v daném čase aktivní, a jejich přepis do mRNA tak probíhá, a které naopak vypnuté, a jejich přepis neprobíhá. Zapínání a vypínání genů je řízeno několika mechanismy. Jedním z nevýznamnějších jsou chemické úpravy DNA bází, tzv. methylace a demethylace DNA, při nichž se na daném místě DNA připojuje nebo naopak odstraňuje methylová skupina. Tyto velmi malé modifikace na DNA regulují transkripci do RNA a tím i vznik příslušných proteinů.
Tajemství regulace epigenetických změn
Tým vědců z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, Přírodovědecké fakulty UK a Mikrobiologického ústavu AV ČR pod vedením Michala Hocka a Libora Krásného nyní pomocí uměle připravené upravené DNA poodhalil tajemství regulace těchto epigenetických změn.
Autoři již v předchozím článku publikovali překvapivé zjištění, že modifikované pyrimidinové nukleobáze, které obsahují hydroxymethylovou skupinu, zvyšují transkripci bakteriální RNA polymerázou. Tyto hydroxymethylované pyrimidiny se přirozeně nacházejí jako minoritní báze v genomech některých organismů. Nyní vědci připravili maskované deriváty těchto bází, které obsahují speciální fotolabilní chránící skupinu, která způsobuje, že celá takto modifikovaná DNA je z hlediska transkripce vypnutá. Po krátkém osvícení viditelným světlem (vlnové délky 400 nm) jsou ale maskovací skupiny odstraněny a transkripce se zapíná. V dalším kroku je ale možno transkripci opět cíleně vypnout pomocí jiné reakce, enzymatické fosforylace hydroxymethylových skupin.
Unikátní metoda
Tento metodický přístup je unikátní především v tom, že k přepínání využívá chemické reakce ve velkém žlábku DNA, takže by v principu mohl zavést další umělou úroveň epigenetické regulace, která by mohla fungovat paralelně s přirozenou epigenetikou. Při ní by bylo možné poměrně jednoduchými chemickými reakcemi, které v buňce za normálních okolností neprobíhají, ovlivňovat vypínání či zapínání genů, a tím i tedy tvorbu konkrétních proteinů, které např. hrají roli v rozvoji či léčbě různých nemocí.
Nový přístup k přepínání genové exprese, který vědci publikovali v časopise Chemical Science, byl zatím prokázán pouze in vitro (ve zkumavce) a jeho aplikace v živých buňkách či organismech ještě bude vyžadovat překonání řady dalších překážek. Výsledky zatím přinášejí mnohem více otázek než odpovědí, ale otevírají několik nových zajímavých směrů výzkumu. Jako nejatraktivnější se v současnosti jeví hypotéza, že by se mohlo jednat o mechanismus, jímž se bakterie účinně brání přepisu virové DNA (fosforylací virové DNA, která je u některých virů přirozeně hydroxymethylovaná), a dále pak možnost cílené regulace genové exprese, která by byla časově omezená. Takto modifikovaná DNA by byla definovaně zapnuta jen po žádoucí dobu a přirozená nestabilita takové DNA v buňce by zabránila nežádoucím dlouhodobým efektům. Výzkum v této oblasti bude dále pokračovat a v budoucnu by mohl přinést zásadní průlom v chápání mechanismů spojených s tím, jak organismy regulují genovou expresi.
Původní článek: Z. Vaníková, M. Janoušková, M. Kambová, L. Krásný a M. Hocek, Switching transcription with bacterial RNA polymerase through photocaging, photorelease and phosphorylation reactions in the major groove of DNA, Chem. Sci., 2019, DOI: 10.1039/C9SC00205G. (AV ČR, 23.3.2019)
Na objevu pracoval tým vědců pod vedením Michala Hocka (na snímku) a Libora Krásného