Τρελό: Κύτταρα διαφορετικών ειδών «ανταλλάζουν μηνύματα» με RNA

Για ένα μόριο RNA, ο κόσμος είναι ένα επικίνδυνο μέρος. Σε αντίθεση με το DNA, το οποίο μπορεί να παραμείνει για εκατομμύρια χρόνια στην εντυπωσιακά σταθερή, δίκλωνη μορφή του, το RNA δεν είναι φτιαγμένο για να αντέχει - ούτε καν μέσα στο κύτταρο που το δημιούργησε. Αν δεν είναι προστατευτικά δεμένο με ένα μεγαλύτερο μόριο, το RNA μπορεί να αποικοδομηθεί μέσα σε λίγα λεπτά ή και λιγότερο. Και έξω από ένα κύτταρο; Ξεχάστε το. Τα αδηφάγα ένζυμα που καταστρέφουν το RNA βρίσκονται παντού, εκκρίνονται από όλες τις μορφές ζωής ως άμυνα κατά των ιών που γράφουν τη γενετική τους ταυτότητα σε κώδικα RNA.

Υπάρχει ένας τρόπος για να επιβιώσει το RNA έξω από ένα κύτταρο αλώβητο: σε μια μικροσκοπική, προστατευτική φυσαλίδα. Εδώ και δεκαετίες, οι ερευνητές έχουν παρατηρήσει ότι τα κύτταρα απελευθερώνουν αυτές τις φυσαλίδες της κυτταρικής μεμβράνης, που ονομάζονται εξωκυτταρικά κυστίδια (EVs - extracellular vesicles), γεμάτες με αποικοδομημένο RNA, πρωτεΐνες και άλλα μόρια. Αλλά αυτοί οι σάκοι θεωρούνταν κάτι περισσότερο από σακούλες σκουπιδιών που σέρνουν τα σπασμένα μοριακά σκουπίδια έξω από ένα κύτταρο κατά τη διάρκεια της συνήθους αποσυμφόρησης.

Τότε, στις αρχές της δεκαετίας του 2000, πειράματα με επικεφαλής τον Hadi Valadi, μοριακό βιολόγο στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ, αποκάλυψαν ότι το RNA μέσα σε ορισμένα EVs δεν έμοιαζε με σκουπίδια. Το κοκτέιλ των αλληλουχιών RNA διέφερε σημαντικά από εκείνες που βρέθηκαν στο εσωτερικό του κυττάρου, και οι αλληλουχίες αυτές ήταν άθικτες και λειτουργικές. Όταν η ομάδα του Valadi εξέθεσε ανθρώπινα κύτταρα σε EVs από κύτταρα ποντικιών, παρατήρησαν με έκπληξη ότι τα ανθρώπινα κύτταρα έλαβαν τα μηνύματα RNA και τα «διάβασαν» για να δημιουργήσουν λειτουργικές πρωτεΐνες που διαφορετικά δεν θα μπορούσαν να φτιάξουν.

Ο Valadi κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα κύτταρα πακετάριζαν αλυσίδες RNA στα κυστίδια ειδικά για να επικοινωνούν μεταξύ τους. «Αν έχω βγει έξω και βλέπω ότι βρέχει, μπορώ να σας πω: Αν βγείτε έξω, πάρτε μαζί σας μια ομπρέλα». Με παρόμοιο τρόπο, πρότεινε, ένα κύτταρο θα μπορούσε να προειδοποιήσει τους γείτονές του για την έκθεση σε παθογόνο ή βλαβερή χημική ουσία πριν αντιμετωπίσουν οι ίδιοι τον κίνδυνο.

Έκτοτε, έχει προκύψει πληθώρα στοιχείων που υποστηρίζουν αυτή τη θεωρία, χάρη στις βελτιώσεις στην τεχνολογία αλληλούχισης που επιτρέπουν στους επιστήμονες να ανιχνεύουν και να αποκωδικοποιούν όλο και μικρότερα τμήματα RNA. Από τότε που ο Valadi δημοσίευσε τα πειράματα του, άλλοι ερευνητές έχουν επίσης δει EVs γεμάτα με πολύπλοκους συνδυασμούς RNA. Αυτές οι αλληλουχίες RNA μπορούν να περιέχουν λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με το κύτταρο που τις συνέταξε και να προκαλούν συγκεκριμένες επιδράσεις στα κύτταρα-δέκτες. Τα ευρήματα οδήγησαν ορισμένους ερευνητές να υποθέσουν ότι το RNA μπορεί να είναι μια μοριακή γλωσσική διάλεκτος που υπερβαίνει τα παραδοσιακά ταξινομικά όρια και μπορεί επομένως να κωδικοποιεί μηνύματα που παραμένουν κατανοητά σε όλο το δέντρο της ζωής.

«Το RNA έχει ήδη ένα νόημα σε κάθε κύτταρο και είναι ένας αρκετά απλός κώδικας», δηλώνει η Amy Buck από το Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου.

Το 2024, νέες μελέτες αποκάλυψαν πρόσθετα στοιχεία σε αυτή την ιστορία, δείχνοντας, για παράδειγμα, ότι μαζί με τα βακτήρια και τα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα αρχέγονα ανταλλάσσουν επίσης RNA συνδεδεμένο με κυστίδια, γεγονός που επιβεβαιώνει ότι το φαινόμενο είναι καθολικό και στους τρεις τομείς της ζωής. Μια άλλη μελέτη διεύρυνε την κατανόηση μας για την κυτταρική επικοινωνία μεταξύ των βασιλείων, δείχνοντας ότι τα φυτά και οι μολυσματικοί μύκητες μπορούν να χρησιμοποιήσουν πακέτα RNA που προκαλούν τον όλεθρο ως μια μορφή συν-εξελικτικού πληροφοριακού πολέμου: Ένα εχθρικό κύτταρο διαβάζει το RNA και κατασκευάζει αυτοκαταστροφικές πρωτεΐνες με τον δικό του μοριακό μηχανισμό.

«Έχω μείνει έκπληκτη με το τι μπορεί να κάνει το RNA», δήλωσε η Amy Buck, βιολόγος RNA στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου, η οποία δεν συμμετείχε στη νέα έρευνα. Για την ίδια, η κατανόηση του RNA ως μέσου επικοινωνίας «υπερβαίνει την εκτίμηση της πολυπλοκότητας και της δυναμικής φύσης του RNA μέσα στο κύτταρο». Η μετάδοση πληροφοριών πέρα από το κύτταρο μπορεί να είναι ένας από τους έμφυτους ρόλους του.

Η μικροβιολόγος Susanne Erdmann μελετά ιικές λοιμώξεις στον Haloferax volcanii, έναν μονοκύτταρο οργανισμό που ευδοκιμεί σε απίστευτα αλμυρά περιβάλλοντα όπως η Νεκρά Θάλασσα ή η Μεγάλη Αλυκή. Τα μονοκύτταρα βακτήρια είναι γνωστό ότι ανταλλάσσουν ευρέως EVs, αλλά ο H. volcanii δεν είναι βακτήριο - είναι αρχέγονος, μέλος του τρίτου εξελικτικού κλάδου της ζωής, ο οποίος διαθέτει κύτταρα με διαφορετική δομή από τα βακτήρια ή τους ευκαρυώτες όπως εμείς.

Επειδή τα EVs έχουν το ίδιο μέγεθος και την ίδια πυκνότητα με τα σωματίδια των ιών που μελετά η ομάδα του Erdmann στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για τη θαλάσσια μικροβιολογία στη Γερμανία, «εμφανίζονται πάντα όταν απομονώνεις και καθαρίζεις ιούς». Τελικά, η ομάδα της έγινε περίεργη και αποφάσισε να κρυφοκοιτάξει τι υπάρχει μέσα.

Η μικροβιολόγος Susanne Erdmann βρήκε πρόσφατα αρχέγονα που περικλείουν το RNA σε κυτταρικές φυσαλίδες και το αποστέλλουν στο περιβάλλον. Η ανακάλυψη της επέκτεινε τις γνώσεις μας για αυτή την ικανότητα ανταλλαγής μηνυμάτων και στους τρεις τομείς της ζωής.

«Περίμενα DNA», θυμήθηκε η Erdmann, μετά από αναφορές ότι και άλλα αρχέγονα είδη συσκευάζουν DNA σε EVs.

Αντ' αυτού, το εργαστήριο της βρήκε μια ολόκληρη συλλογή από RNA-ειδικότερα μη κωδικοποιημένα RNA, μυστηριώδη τμήματα νουκλεοτιδίων χωρίς καμία γνωστή λειτουργία στα αρχέγονα. Αυτές οι μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες RNA ήταν πολύ πιο άφθονες στα EVs από ό,τι στα ίδια τα αρχέγονα κύτταρα. «Ήταν η πρώτη φορά που βρήκαμε RNA σε EVs σε αρχέγονα», δήλωσε η ίδια.

Η Erdmann αναρωτήθηκε αν υπήρχε κάποιος σκοπός στα EVs των αρχέγονων. Ένα κύτταρο μπορεί να δημιουργήσει αυθόρμητα κυστίδια όταν η μεμβράνη του τεντώνεται στον εαυτό της για να σχηματίσει μια μικρή φυσαλίδα που στη συνέχεια αποσπάται. Ωστόσο, άλλοι μηχανισμοί περιλαμβάνουν πιο ενεργές και σκόπιμες διαδικασίες, παρόμοιες με αυτές που μετακινούν μόρια στο εσωτερικό του κυττάρου. Η ομάδα του Erdmann εντόπισε μια αρχαιολογική πρωτεΐνη που ήταν απαραίτητη για την παραγωγή EVs που περιέχουν RNA.

Αυτό της υπέδειξε ότι το RNA δεν κατέληγε τυχαία στα EVs και ότι η διαδικασία δεν ήταν απλώς απόρριψη αποβλήτων. «Είναι πολύ πιθανό ότι τα αρχέγονα τα χρησιμοποιούν για την επικοινωνία από κύτταρο σε κύτταρο. Γιατί αλλιώς θα επένδυαν τόση ενέργεια για να πετάξουν τυχαίο RNA στα κυστίδια;».

Η Erdmann δεν είναι σίγουρη γιατί τα μικρόβια Haloferax συσκευάζουν τα κυστίδια τους με RNA, ενώ άλλα είδη αρχέγονων προτιμούν το DNA. Υποψιάζεται όμως ότι έχει να κάνει με το πόσο ευαίσθητο είναι το μοριακό μήνυμα στο χρόνο. «Το RNA είναι μια διαφορετική γλώσσα από το DNA» και εξυπηρετεί έναν θεμελιωδώς διαφορετικό σκοπό τόσο μέσα όσο και έξω από τα κύτταρα.

Το DNA ενός οργανισμού πρέπει να είναι σταθερό και σχετικά αμετάβλητο κατά τη διάρκεια της ζωής του. Μπορεί να πάρει αυθόρμητες μεταλλάξεις ή ακόμη και επιπλέον γονίδια, αλλά χρειάζονται γενιές φυσικής επιλογής για να επικρατήσουν προσωρινές αλλαγές στις αλληλουχίες του DNA σε έναν πληθυσμό.Το RNA, από την άλλη πλευρά, βρίσκεται σε συνεχή ροή, ανταποκρινόμενο σε δυναμικές συνθήκες εντός και εκτός του κυττάρου. Τα σήματα RNA δεν διαρκούν πολύ, αλλά δεν χρειάζεται να διαρκούν, αφού μπορούν τόσο γρήγορα να καταστούν άσχετα.

Ως μήνυμα, το RNA είναι παροδικό. Αυτό είναι ένα χαρακτηριστικό, όχι ένα λάθος: Μπορεί να έχει μόνο βραχυπρόθεσμες επιδράσεις σε άλλα κύτταρα πριν αποικοδομηθεί. Και δεδομένου ότι το RNA μέσα σε ένα κύτταρο αλλάζει συνεχώς, «το μήνυμα που μπορείς να στείλεις στο γειτονικό σου κύτταρο μπορεί επίσης να αλλάξει πολύ γρήγορα», δήλωσε η Erdmann. Υπό αυτή την έννοια, μοιάζει περισσότερο με ένα γρήγορο γραπτό μήνυμα ή με ένα email που προορίζεται για την έγκαιρη μετάδοση πληροφοριών παρά, ας πούμε, με ρούνους χαραγμένους σε πέτρα ή με ένα επίσημο υπόμνημα σε επιστολόχαρτο.

Αν και φαίνεται ότι τα γειτονικά αρχέγονα προσλαμβάνουν και εσωτερικεύουν τα EVs από τα άλλα κύτταρα τους, δεν είναι ακόμη σαφές αν τα μηνύματα τα επηρεάζουν. Η Erdmann αναρωτιέται επίσης ήδη τι συμβαίνει με αυτά τα κυστίδια στη φύση, όπου πολλοί διαφορετικοί οργανισμοί θα μπορούσαν να βρίσκονται σε απόσταση αναπνοής από τα μηνύματα που μεταφέρουν.

Πόσοι άλλοι διαφορετικοί οργανισμοί στο ίδιο περιβάλλον θα μπορούσαν να λάβουν αυτό το μήνυμα; Και το τρώνε απλώς και χρησιμοποιούν το RNA ως τροφή ή ανιχνεύουν πράγματι το σήμα.

Παρόλο που αυτό εξακολουθεί να αποτελεί μυστήριο για τον Haloferax, άλλοι ερευνητές έχουν αποδείξει ότι τα κύτταρα σε όλα τα είδη, τα βασίλεια και ακόμη και τους τομείς της ζωής μπορούν να στέλνουν και να λαμβάνουν αξιοσημείωτα στοχευμένες μοριακές επιστολές.

Αν και το RNA είναι βραχύβιο, έχει αποκαλυφθεί ότι είναι ένα μοριακό θαύμα που αλλάζει μορφή. Είναι περισσότερο γνωστό ότι βοηθά τα κύτταρα να παράγουν νέες πρωτεΐνες αντιγράφοντας τις οδηγίες του DNA (ως αγγελιοφόρο RNA ή mRNA) και παραδίδοντάς τες στο ριβόσωμα για κατασκευή. Ωστόσο, η εύκαμπτη ραχοκοκαλιά του επιτρέπει στο RNA να αναδιπλώνεται σε διάφορα σχήματα που μπορούν να επηρεάσουν την κυτταρική βιολογία. Μπορεί να δράσει ως ένζυμο για την επιτάχυνση των χημικών αντιδράσεων εντός των κυττάρων. Μπορεί να συνδεθεί με το DNA για να ενεργοποιήσει ή να σιγήσει την έκφραση γονιδίων. Και οι ανταγωνιστικές αλυσίδες του RNA μπορούν να μπλέξουν τις οδηγίες του mRNA σε μια διαδικασία που ονομάζεται RNA παρεμβολή και εμποδίζει την παραγωγή νέων πρωτεϊνών.

Την τελευταία δεκαετία, η Hailing Jin έχει δημιουργήσει ένα σύνολο εργασιών που δείχνουν ότι αντιμαχόμενοι οργανισμοί από δύο βασίλεια της ζωής -ένα φυτό και ένας μύκητας- ανταλλάσσουν RNA σε μια μορφή πληροφοριακού πολέμου, με πραγματικά βιολογικά αποτελέσματα.

Καθώς οι ερευνητές εκτιμούν όλο και περισσότερο τους τρόπους με τους οποίους το RNA αλλάζει τη δραστηριότητα των κυττάρων, έχουν μελετήσει στρατηγικές για τη χρήση αυτού του μεταβλητού μικρού μορίου ως πειραματικό εργαλείο, ως θεραπεία ασθενειών, ακόμη και ως βάση για το mRNA εμβόλιο της Covid-19. Όλες αυτές οι εφαρμογές απαιτούν τη μεταφορά RNA στα κύτταρα, αλλά φαίνεται ότι η εξέλιξη μας πρόλαβε: Τα EVs μεταδίδουν RNA ακόμη και σε κύτταρα που μπορεί να μη θέλουν να λάβουν το μήνυμα.

Πριν από περίπου 10 χρόνια, η μοριακή γενετίστρια Hailing Jin και το εργαστήριό της στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ριβερσάιντ ανακάλυψαν ότι δύο οργανισμοί από διαφορετικά βασίλεια -ένα φυτό και ένας μύκητας- ανταλλάσσουν RNA ως μορφή πολέμου. Η Jin μελετούσε τον Botrytis cinerea, μια ασαφή γκρίζα μούχλα που καταστρέφει καλλιέργειες όπως οι φράουλες και οι ντομάτες, όταν τον είδε να ανταλλάσσει RNA με το φυτό Arabidopsis (χνοώδης αραχίδα) κατά τη διάρκεια της μόλυνσης. Ο μύκητας Botrytis παρέδωσε RNA που παρεμπόδιζε την ικανότητα του φυτού να καταπολεμήσει τη μόλυνση. Μεταγενέστερες εργασίες έδειξαν ότι τα φυτικά κύτταρα μπορούσαν να απαντήσουν με τη δική τους ομοβροντία RNA που ζημίωσε τον μύκητα.

Σε αυτή τη «συν-εξελικτική κούρσα εξοπλισμών», όπως την περιέγραψε η Jin, και οι δύο οργανισμοί χρησιμοποίησαν τα EVs ως οχήματα για αυτά τα ευαίσθητα αλλά καταστροφικά μηνύματα RNA. Προηγουμένως, οι επιστήμονες που ενδιαφέρονταν για τη δυναμική ξενιστή-παθογόνου επικεντρώνονταν κυρίως στις πρωτεΐνες και τους μεταβολίτες, δήλωσε η Jin, επειδή αυτά τα μόρια μπορούν να μελετηθούν ευκολότερα. Αλλά είναι λογικό οι οργανισμοί να έχουν πολλαπλούς τρόπους να αντιστέκονται στις περιβαλλοντικές προκλήσεις, είπε, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης RNA για να αλληλεπιδρούν με μακρινούς εξελικτικούς συγγενείς.

Την τελευταία δεκαετία, περισσότεροι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει παραδείγματα ανταλλαγής RNA μεταξύ διαφορετικών βασιλείων ως επιθετική στρατηγική κατά τη διάρκεια της μόλυνσης. Παρασιτικά σκουλήκια που ζουν στο έντερο ποντικού απελευθερώνουν RNA σε EVs που κλείνουν τις αμυντικές ανοσοποιητικές πρωτεΐνες του ξενιστή. Τα βακτήρια μπορούν να εκτοξεύσουν μηνύματα στα ανθρώπινα κύτταρα που καταστέλλουν τις αντιβακτηριακές ανοσολογικές αποκρίσεις. Ο μύκητας Candida albicans έχει μάθει ακόμη και να διαστρεβλώνει ένα μήνυμα από τα ανθρώπινα EVs προς όφελός του: χρησιμοποιεί το ανθρώπινο RNA για να προωθήσει τη δική του ανάπτυξη.

Η αλληλογραφία μεταξύ των βασιλείων δεν είναι πάντα αλληλογραφία μίσους. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις έχουν παρατηρηθεί και σε φιλικές (ή ουδέτερες) σχέσεις, δήλωσε η Jin. Για παράδειγμα, βακτήρια που ζουν συμβιωτικά στις ρίζες των ψυχανθών στέλνουν μηνύματα RNA για να προωθήσουν την οζώδη ανάπτυξη - την ανάπτυξη μικρών εξογκωμάτων όπου τα βακτήρια ζουν και δεσμεύουν άζωτο για το φυτό.

Πώς μπορεί το RNA από ένα κλαδί του δέντρου της ζωής να γίνει κατανοητό από τους οργανισμούς ενός άλλου κλαδιού; Είναι μια κοινή γλώσσα, είπε ο Buck. Το RNA πιθανότατα υπάρχει από την αρχή της ζωής. Ενώ οι οργανισμοί έχουν εξελιχθεί και διαφοροποιηθεί, ο μηχανισμός ανάγνωσης του RNA έχει παραμείνει σε μεγάλο βαθμό ο ίδιος. «Το RNA έχει ήδη ένα νόημα σε κάθε κύτταρο. Και είναι ένας αρκετά απλός κώδικας».

Τόσο απλός, στην πραγματικότητα, που ένα κύτταρο παραλήπτη μπορεί να ανοίξει και να ερμηνεύσει το μήνυμα πριν συνειδητοποιήσει ότι θα μπορούσε να είναι επικίνδυνο, με τον τρόπο που εμείς μπορεί ενστικτωδώς να κάνουμε κλικ σε ένα link σε ένα email πριν παρατηρήσουμε την ύποπτη διεύθυνση του αποστολέα. Πράγματι, νωρίτερα φέτος, το εργαστήριο της Jin έδειξε ότι τα φυτικά κύτταρα του Arabidopsis μπορούν να στείλουν φαινομενικά αθώες οδηγίες RNA που έχουν αιφνιδιαστικό αντίκτυπο σε έναν εχθρικό μύκητα. Σε πειράματα, η ομάδα του Jin είδε τον μύκητα Botrytis να διαβάζει το εισερχόμενο mRNA μαζί με τα δικά του μόρια και να δημιουργεί άθελά του πρωτεΐνες που έβλαπταν τις μολυσματικές του ικανότητες.

Είναι σχεδόν σαν τα φυτά να δημιουργούσαν έναν «ψευδοϊό», είπε η Jin - μικρά πακέτα RNA που μολύνουν ένα κύτταρο και στη συνέχεια χρησιμοποιούν τους μηχανισμούς αυτού του κυττάρου για να παράγουν πρωτεΐνες.

Πρόκειται για έναν αρκετά ισχυρό μηχανισμό. Ένα mRNA μπορεί να μεταφραστεί σε πολλά, πολλά αντίγραφα πρωτεϊνών ... Είναι πολύ πιο αποτελεσματικό από τη μεταφορά της ίδιας της πρωτεΐνης.

Εξ όσων γνωρίζει, είπε η Jin, αυτή είναι η πρώτη φορά που βλέπει αποδείξεις ότι οργανισμοί από διάφορα βασίλεια ανταλλάσσουν μηνύματα mRNA και τα διαβάζουν σε πρωτεΐνες. Αλλά πιστεύει ότι είναι πιθανό να παρατηρηθεί σε πολλά άλλα συστήματα, όταν οι άνθρωποι αρχίσουν να το αναζητούν.

Ο τομέας είναι νέος, τονίζει η Buck, και αυτό είναι συναρπαστικό. Υπάρχουν ακόμη πολλά να μάθουμε: για παράδειγμα, αν τα άλλα μόρια που συσκευάζονται στα EVs βοηθούν στην παράδοση του μηνύματος RNA. «Είναι μια διασκεδαστική πρόκληση να τα ξεδιαλύνουμε όλα αυτά. Θα πρέπει να εμπνευστούμε από το πόσο απίστευτα ισχυρό και δυναμικό είναι το RNA και πώς ανακαλύπτουμε ακόμη όλους τους τρόπους με τους οποίους διαμορφώνει και ρυθμίζει τη ζωή».

[via]