A sejtjeinkben zajló egyik legfontosabb genetikai folyamat felgyorsulása és pontatlanabbá válása fontos szerepet játszhat az öregedésben, és az állatok élettartamára is hatással van – állítja az a tanulmány, amelyet Cédric Debès, a Kölni Egyetem bioinformatikusa és kollégái tettek közzé április elején a Nature-ben. A kutatók a DNS-ről RNS-re történő átírás folyamatában, vagyis a transzkripcióban idővel bekövetkező változásokat vizsgálták.

Megkerestük Charles Brenner öregedés- és anyagcserekutatással foglalkozó biokémikust, a kaliforniai Duarte-ban található City of Hope orvosi kutatóintézet professzorát, hogy kommentálja az eredményeket: „Tetszett a tanulmány. Meglepő volt benne az a megfigyelés, hogy a transzkripció gyorsabban történik az idősebb állatokban, mint a fiatalabbakban. Úgy tűnik, mintha a nagyobb sebesség több transzkripciós hanyagsággal [transcriptional sloppiness] járna. Amikor a szerzők olyan mutációkat hoztak létre, amelyek lelassították a transzkripciót, hosszabb élettartamot kaptak”.

Brenner szerint további kutatásokra lesz szükség ahhoz, hogy kiderüljön, a transzkripciós sebességet szabályozó gyógyszerek kiterjeszthetik-e az egészséges élettartamot (healthspan) és a fitneszt az öregedéskutatásra alkalmazott állatmodellekben. „Ha nincs egy világos betegségprezentáció, sokkal nehezebb lesz meghatározni a biztonságosságát és hatásosságát, mivel az öregedés nem számít megbetegedésnek” – válaszolta kérdésünkre Brenner. A szakember szerint meglehetősen hosszú vizsgálatokat kellene elvégezni előre meghatározott kimenetelekkel, hogy kiderüljön, tényleg egészségesebb öregedést okoz-e, ha gyógyszerekkel avatkozunk be az emberek RNS-transzkripciójába.

A transzkripció eredete a földi élet hajnalára, az összes élőlény utolsó közös ősére (Last Universal Common Ancestor, LUCA) nyúlik vissza. Már ezek a 3,5-4 milliárd évvel ezelőtt élt sejtek is DNS-t használtak örökítőanyagként, amit átírtak RNS-sé, majd a hírvivő RNS-eket (mRNS) a riboszómáknak nevezett hatalmas molekuláris masinákon keresztül lefordították fehérjékké (transzláció), amelyek nélkül sejtjeink nem tudnának működni.

Azt, hogy mennyi fehérjét gyárt le a sejt, jelentős részben a transzkripció határozza meg. Ennek az egyik fő szakasza az úgynevezett elongáció, amikor az RNS polimeráz enzim elkezdi az RNS-t a templátként funkcionáló DNS-szál alapján szintetizálni. Ebből a fehérjéket kódoló gének esetén mRNS lesz, míg az esetek többségében nem kódoló RNS. Az mRNS elkészültével az eukariótáknál még nem ér véget a történet; a kezdeti mRNS további érésen megy keresztül, aminek része az RNS-hasítás (splicing) folyamata. Ekkor az intronoknak nevezett, nem kifejeződő szakaszok egyszerűen kivágódnak a molekulából, és hátramaradnak az exonok. Az exonösszetétel változtatásával a rendszer számos egyedi fehérjét tud létrehozni, egy alternatív hasításnak nevezett folyamat során.

Az öregedéssel egyre kevésbé lesz pontos az átírás, és megváltozik a sejt (vagy sejtek) által átírt RNS-ek összességét jelentő transzkriptom összetétele is, ami kihat olyan fontos folyamatokra, mint a DNS-hibajavítás, a jelátvitel vagy az immunválasz. A kutatók most Andreas Beyer vezetésével kifejezetten arra voltak kíváncsiak, hogy az öregedés milyen hatást gyakorol az RNS polimeráz II (Pol II) enzimre különböző szövetekben és különböző fajokban. Ehhez fonálférgekben (C. elegans), ecetmuslicákban (D. melanogaster), egerekben (M. musculus), patkányokban (R. norvegicus) és embereknél vizsgálták a működésében bekövetkező változásokat.

Miként lehet kimutatni a transzkripció felgyorsulását?

Ahhoz, hogy be tudják lőni az enzim sebességét, a kutatóknak a legyártott RNS-ből kivágódó intronokat kellett tanulmányozniuk RNS-szekvenálással. Ennek hátterében az áll, hogy szekvenálási lefedettség megváltozása az intronszakaszokon belül összefügg azzal, hogy a Pol II enzim mennyire gyorsan dolgozott az egyes intronok esetén.

Innentől már csak összegezni kellett az egyes fajok és szövetek esetén több száz vagy több ezer intron szekvenálásával összegyűjtött adatokat, és kiderült, hogy a legtöbb gén esetén az enzim sebessége és a transzkripció is felgyorsult az öregedéssel, és jelentős különbség mutatkozott a fiatal és idős egyedekből vett minták között. A kutatók által „élettartam-meghosszabbítónak” nevezett beavatkozások, mint például a sejtosztódásban és sejtdifferenciálódásban fontos szerepet játszó inzulin-IGF jelátviteli útvonal korlátozása fonálférgekben és esetmuslicákban jelentősen lelassította a Pol II enzimet a kontrollállatokhoz képest.

Annak tesztelésére, hogy a Pol II sebességének változása valóban befolyásolja-e az öregedést, genetikailag módosított fonálféreg- és ecetmuslicatörzseket hoztak létre, amelyek enzimje a pontmutációk miatt elméletben eleve lassabb sebességgel halad a DNS-en. A kutatók ezt RNS-szekvenálással leellenőrizték, és kiderült, hogy a Pol II átlagsebessége a módosított törzsekben tényleg lelassult. De milyen hatása volt ennek az öregedésre?

A Pol II lelassítása a fonálféregnél 20 százalékkal, az esetmuslicánál pedig 10 százalékkal tolta ki a medián élettartamot, míg a mutációk CRISPR-Cas-9-es genomszerkesztéssel történő helyreállítása lényegében visszaállította az eredeti élettartamot. A mutáns fonálférgek emellett jobb életfunkciókat mutattak idős korban, mint a hasonló korú normál állatok, ami a kutatók szerint azt mutatja, hogy a Pol II lelassítása az egészséges élettartamukat is kitolta.

Ha gyorsabban száguld az enzim, több hibát vét

A Pol II enzim felgyorsulása több transzkripciós hibához vezethet, mert az enzim korrigálási képessége megnehezül, és ezeknek a hibáknak az átlagos száma az életkorral növekszik – kivéve a módosított, lassú Pol II enzimes kísérleti állatoknál, ahol ezekből a kontrollokhoz képest jóval kevesebb volt. Korábbi vizsgálatokból azt is tudni lehet, hogy a gyors átírás egy intronmegtartásnak nevezett jelenségen keresztül akár betegségek kialakulásának is megágyazhat.

A kutatók ezért megnézték, miként változik az öregedéssel az RNS-hasítás. Mint kiderült, a felgyorsult transzkripció mérsékelte a kezdeti RNS-szintézis és az intronok kivágódása közti időtartamot, ami azzal a kellemetlen mellékhatással jár, hogy megnő a hibás hasítások száma. Ezt igazolta, hogy a fonálférgek és ecetmuslicák öregedése során egyre több lett a ritka hasítási események átlagos gyakorisága. Ezt ugyanakkor emlősöknél nem tudták konzisztensen megfigyelni, aminek a hátterében a kutatók szerint az állhat, hogy a hasítás szabályozása komplexebb az emlősök sejtjeiben.

De mi állhat valójában a háttérben?

Ha a transzkripció felgyorsulása hozzájárul az öregedéshez, érdemes lenne felderíteni, mi okozza ezt. A kutatók szerint a választ valahol a fehérjékből és DNS-ből álló kromatin környékén kell keresni, ami többek között a két méter hosszú emberi DNS csomagolásáért és a génkifejeződés szabályozásáért felelős a sejtjeinkben – a kromatin evolúciós eredetével, szerkezetével és funkciójával korábban már részletesen foglalkoztunk.

Azt eddig is tudtuk Debès és kollégái szerint, hogy a hiszton nevű fehérjékből felépülő nukleoszómáknak – amik köré a DNS feltekeredik – az örökítőanyagon való elhelyezkedése hatással van a Pol II enzim működésére, valamint a hasítás folyamatára is. Emellett azt is tudni lehet, hogy az öregebb eukarióta sejtek kromatinjában csökken ezeknek a nukleoszómáknak a sűrűsége. Amikor emberi sejteken megvizsgálták, mi történik, ha azok osztódó állapotból az osztódást befejező állapotba jutnak, apró, de lényeges változásokat figyeltek meg kromatinszerkezetükben, valamint a nukleoszómák helyzetében és sűrűségében.

De lehet, hogy ennél is mélyebbre kell ásni, ugyanis a nukleoszómák szerveződését a kutatók szerint alapvetően befolyásolja, hogy milyen mennyiségben vannak jelen az őket alkotó hisztonok. Amikor olyan emberi sejteket vizsgáltak, amelyekben megnövelték a H3-as és H4-es hiszton fehérjék mennyiségét, hirtelen azt látták, hogy a Pol II sebessége elkezd a normál sejtekhez képest csökkeni. Ez a további kísérleteikkel együtt arra mutat, hogy a transzkripció sebességére – és így magára az öregedésre – hatással lehet a kromatinszerkezet változása, amit igazán csak az utóbbi években kezdünk megérteni.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: