ריקבון RNA בתיווך נונסנס, או NMD, הוא מנגנון מולקולרי שמור מבחינה אבולוציונית שבו RNA שליח שעלול להיות פגום, או mRNAs (חומר גנטי המורה לגוף כיצד לייצר חלבונים), מתכלים. שיבוש מסלול ה-NMD יכול להוביל להפרעות נוירולוגיות, מחלות חיסוניות, סרטן ופתולוגיות אחרות. מוטציות במווסתים של NMD אנושיים נראות בהפרעות נוירו-התפתחותיות, כולל אוטיזם ומוגבלות אינטלקטואלית.
מדוע מוטציות NMD מועשרות בהפרעות נוירו-התפתחותיות נותרה בגדר תעלומה. סיקה ג'נג, פרופסור למדעי ביו-רפואה בבית הספר לרפואה והמנהלת המייסדת של המרכז לביולוגיה ורפואה של RNA באוניברסיטת קליפורניה, ריברסייד, הובילה כעת מחקר שפורסם בכתב העת עֲצָבוֹן, החושף את המנגנון הסלולרי המולקולרי העומד בבסיס ויסות ה-NMD של גודל המוח וחוסר הוויסות שלו בגרימת מיקרוצפליה -; מצב בו ראשו של תינוק קטן בהרבה מהצפוי.
הממצא של הצוות מצביע על כך ששמירה על תפקוד ה-NMD הנוירוני חיונית להתפתחות מוחית מוקדמת כדי למנוע מיקרוצפליה. לדברי Zheng, אפנון מטרות NMD יכול להיות טיפול פוטנציאלי עבור מיקרוצפליה ומחלות נוירו-התפתחותיות קשורות אחרות.
המחקר מסביר את התפקידים התפקודיים של NMD בהתפתחות המוח ואת הפעולה המכניסטית הבסיסית. זה גם מדגים לראשונה את הקשר בין ויסות ריקבון mRNA ושליטה בגודל המוח. בנוסף, הוא חושף את הקשר המורכב בין NMD לגן מדכא הגידול המפורסם ביותר, p53, מה שמצביע על קשרים חדשים אפשריים בין NMD לסרטן.
המחקר נתמך על ידי מענקים מהמכונים הלאומיים לבריאות וממכון קליפורניה לרפואה רגנרטיבית. הכותרת של עבודת המחקר היא "אינטראקציות אפיסטטיות בין NMD ו-TRP53 בקרת תאי אבות וגודל מוח." אל ג'נג הצטרפו למחקר ליאנג צ'ן מאוניברסיטת דרום קליפורניה, צ'ון-וויי צ'ן מעיר התקווה, ג'ין יו מאוניברסיטת סן דייגו וחברים במעבדות שלהם.
להלן, ג'נג עונה על שאלות על המחקר:
ש: מדוע היה אתגר להבין מדוע מוטציות NMD מועשרות בהפרעה נוירו-התפתחותית?
ת: כמנגנון מעקב, NMD מכוון ל-mRNA פגום הנובע ממוטציות אקראיות או שגיאות עיבוד RNA. אקראיות זו אינה צפויה ליצור מאפיינים ייחודיים של הפרעות נוירו-התפתחותיות הקשורות לגורמי NMD. יתר על כן, NMD מתרחש בכל סוגי התאים והרקמות, אך המוח נראה פגיע במיוחד לפגמי NMD. דרושים מודלים של בעלי חיים של פגמי NMD ספציפיים לעצבים, ואחריהם חקירה מכניסטית מעמיקה, כדי להבין מדוע מוטציות NMD מועשרות בהפרעה נוירו-התפתחותית, שלא נערכה עד כה, בין השאר בגלל המורכבות של התפתחות המוח והאתגרים הטכניים. של ניתוח מצעי NMD פונקציונליים.
ש: כיצד זיהית את המנגנון הסלולרי המולקולרי העומד בבסיס ויסות ה-NMD של גודל המוח וחוסר הוויסות שלו הגורם למיקרוצפליה?
ת: יצרנו מודלים שונים של בעלי חיים עם מחסור ב-NMD על ידי הפקעת גורם מפתח NMD, Upf2, בסוגי תאים שונים וקבעו את ההבדלים הפנוטיפיים שלהם. מצאנו שמחסור ב-NMD גורם להשפעות רבות יותר על אבות עצבים מתרבים, מה שעולה בקנה אחד עם התפיסה שתפקוד NMD חיוני להתפתחות מוקדמת של המוח והמוטציות שלו מועשרות בהפרעות נוירו-התפתחותיות. חשוב לציין, הראינו מחסור ב-NMD בתאי אבות גורם למיקרוצפליה, ממצא חדש שמקשר בין מסלול ריקבון של NMD לשליטה בגודל המוח. כדי לנתח את המנגנונים הבסיסיים ולקבוע מצעי NMD פונקציונליים הגורמים לפנוטיפים אלה, יישמנו טכנולוגיות מתקדמות, כולל הקרנת CRISPR, RNA-Seq, CLIP-seq ו-RNA-seq של תא בודד. רק באמצעות גישה אינטגרטיבית זו הצלחנו לחשוף את התשתית המולקולרית.
ברגע שמצאנו את הפנוטיפ של מיקרוצפליה, השתמשנו במודלים ראשוניים של תרבית תאים כדי להגדיר את פגמי הגדילה של Upf2 נוקאאוט, או Upf2KO, באבות עצביים. לאחר מכן, יישמנו סקר CRISPRi כדי לזהות גנים שההפרעות שלהם יכולות להפריע Upf2פגם הצמיחה של KO NPCs. בין מאות גנים שבדקנו, זיהינו כמה מועמדים ועקבנו אחר המועמד העליון, p53, הידוע כגן מדכא גידול השולט בצמיחת תאים. לאחר מכן, השתמשנו בגישות שונות של תא בודד ובטכנולוגיות תעתיק כדי לקבוע במדויק כיצד NMD ו-p53 מצטלבים בשליטה על צמיחת תאים.
הזיהוי של p53 ממסך CRISPRi הפתיע אותנו מכיוון ש-p53 הוא אחד הגנים הנחקרים ביותר ורבים מניחים שהאינטראקטיביים הגנטיים שלו כבר מזוהים ו-NMD לא נכנס לרשימה הזו. שנית, הראינו חוסר ב Trp53, גן המקודד ל-p53 (או TRP53), לא הפך באופן גלובלי את עיכוב ה-NMD כדי להציל את פגמי הגדילה. במקום זאת, הממצא שלנו מצביע על כך שפעילות TRP53 מצטלבת עם מסלול NMD כדי לווסת את התקדמות מחזור התא של אבות עצבים. צומת זה מייצג חלק קטן מאוד ממצעי ה-NMD, מה שמצביע על כך שלרוב מצעי ה-NMD יש השפעות פונקציונליות שוליות על צמיחת התאים.
ש: המחקר נעשה באמצעות תאי עכבר. האם אנו יכולים לומר שהתוצאות ישוכפלו בתאים אנושיים?
ת: כן. מסלול NMD נשמר מבחינה אבולוציונית והגורם המרכזי בו התמקדנו במחקר, UPF2, נשמר בין אדם לעכבר. שחקנים מולקולריים אחרים שזיהינו במחקר זה נשמרים גם הם. הקשר הרגולטורי שלהם שוכפל בתאים אנושיים.
ש: מה הלאה עבור צוות המחקר?
ת: אנו מתכננים לבנות תאי גזע אנושיים הנושאים מוטציות NMD, כך שנוכל לשנות את פעילות ה-NMD עם תרופות או לווסת מטרות NMD כדי להציל פנוטיפים בנוירונים אנושיים. בנוסף, נחקור האם התפקיד החדש של NMD תורם להרחבת גודל המוח במהלך האבולוציה.
