W poniedziałek 7 października przyznana została Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. Decyzją Instytutu Karolinska prestiżową nagrodę odbiorą amerykańscy biolodzy: Victor Ambros oraz Gary Ruvkun. Wybór komentują: prof. Marek Sanak, kierownik Zakładu Biologii Molekularnej i Genetyki Klinicznej UJ oraz dr hab. Magdalena Masłoń z Małopolskiego Centrum Biotechnologii UJ.

prof. Marek Sanak, kierownik Zakładu Biologii Molekularnej i Genetyki Klinicznej UJ

Nieczęsto się zdarza w dziedzinie fizjologii lub medycyny, by honorować naukowców Nagrodą Nobla za podobne odkrycia w odstępie zaledwie 18 lat. W 2024 roku laureatami zostali Victor Ambros i Gary Ruvkun za odkrycie mikroRNA i jego roli w post-transkrypcyjnej regulacji ekspresji genetycznej. W roku 2006 laureatami byli Craig Z. Fire i Andrew C. Mello za odkrycie interferencji RNA i wyciszenia genów przez dwuniciowe RNA. Jakkolwiek opisy odkrycia brzmią różnie, sprowadza się ono do tego samego, nieznanego przed 1993 sposobu epigenetycznej – co oznacza brak związku ze zmianą sekwencji genomu komórki – regulacji przekazywania informacji z DNA na czynnościowy stan komórki. Stan ten zależy wyłącznie od rodzaju i liczby cząsteczek białek obecnych w komórce oraz sygnałów, w tym białkowych, które do niej docierają z innych części organizmu. C. Z. Fire i A. C. Mello eksperymentalnie wykazali, że krótkie (21-24 nukleotydy) cząsteczki RNA zbudowane z dwóch komplementarnych nici mogą w swoisty sposób zablokować ekspresję białka na etapie syntezy jego polipeptydowego łańcucha w rybosomach.

Od czasu przyznana tej pierwszej nagrody opisano zarówno dedykowane enzymy – RNA-zy Drosha, Pasha, Dicer i RISC – jak i występowanie w genomie człowieka około 3,5 tys. genów, których wyłącznym zadaniem jest kodowanie takich regulatorowych cząsteczek mikroRNA. Z nieznanych przyczyn, Komitet Noblowski zadecydował o anachronicznym nagradzaniu tych fundamentalnych dla biologii i medycyny odkryć molekularnych.

W roku 1993 Victor Ambros w modelowych organizmie wielokomórkowym – saprofitycznym nicieniu Caenorhabditis elegans opisał dziwny gen o nazwie lin-4. Defekt tego genu powodował, że C. elegans przeobrażał się w dojrzałego obleńca mimo niesprzyjających warunków otoczenia, które u niezmutowanych nicieni wywoływały przedłużone stadium larwalne. Etap przeobrażenia larwalnego jest kontrolowany przez białko LIN-4, zmutowane nicienie miały za dużo tego białka.

Zasługą V. Ambrosa oraz Rosalind Lee i Rhondy Feinbaum było eksperymentalne udowodnienie, że wspólna nazwa (lin-4) białka i genu była błędna. Gen kodował tylko cząsteczkę RNA, która dzięki swojej specjalnej sekwencji mogła zostać przygotowana jako mikroRNA blokujące syntezę białka LIN-4. Gary Ruvkin, współpracując z V. Ambrosem, wykazał, że mechanizm tego blokowania syntezy białka zachodzi dzięki komplementarności nukleotydowej przez połączenie między jedną z nici mikroRNA a transkryptem genu LIN-4. Dotyczy to kilku jego miejsca końcowego odcinka niekodującego mRNA, co wystarcza by zatrzymała się maszyneria rybosomu. Wkrótce po eksperymentach C. Z. Fire i A. C. Mello, też na nicieniu C. elegans – u którego zablokowali syntezę ciężkiego łańcucha miozyny, stosując syntetyczne mikroRNA – G. Ruvkin wraz z V. Ambrosem opisali inny endogenny prekursor mikroRNA u nicienia – let-7. Jego sekwencja jest konserwatywna, a gen występuje u wielu gatunków. U człowieka obecny w postaci licznych homologów let-7 reguluje różnicowanie komórek, utrzymując ich pluripotencję, a także przeciwdziała transformacji nowotworowej i angiogenezie.

Victor Ambros ma 70 lat. Urodził się w Hanover, New Hampshire. Jako dziecko mieszkał na farmie w Vermont wraz z siedmiorgiem rodzeństwa. Jego ojciec urodził się na polskich Kresach, podczas II wojny światowej był przez 4 lata robotnikiem przymusowym w nazistowskich Niemczech, a po wojnie emigrował do USA. We wspomnieniach V. Ambros podkreśla wpojony mu przez ojca szacunek dla nauki jako główną motywację podjęcia studiów i dalszej kariery. Ambros studiował w Massachusetts Institute of Technology, a dalszą karierę rozwijał w Bostonie.

Gary’ego Ruvkuna poznał podczas pracy w laboratorium Roberta Horvitza, który za swoje badania nad apoptozą i regulacją rozwoju narządów otrzymał razem z Sidneyem Brennerem i Johnem E. Sulsonem Nagrodę Nobla w 2002 r. Ruvkun był pierwszym biologiem molekularnym, który zaczął pracować w zespole badawczym Horvitza. Wcześniejsze prace było prowadzone na mutantach C. elegans. Dopiero Ruvkun wprowadził techniki izolacji i manipulacji kwasami nukleinowymi.

Gary Ruvkun studiował w Kalifornijskim Uniwersytecie w Berkeley, jednak doktoryzował się w Uniwersytecie Harvarda, gdzie nadal pracuje. Prace nad pierwszymi cząsteczkami mikroRNA laureaci prowadzili równolegle – Ambros w MIT, Ruvkun w Harvard Medical School. Gary Ruvkin, współpracując z Ambrosem, wykazał, że mechanizm tego blokowania syntezy białka zachodzi dzięki komplementarności nukleotydowej przez połączenie między jedną z nici mikroRNA a transkryptem genu LIN-4, co wystarcza do zatrzymania translacji. Ruvkun ma też inne zainteresowania, związane z pozaziemskim DNA. Zaprojektował wraz z geofizyczką Marią Zuber z MIT aparaturę i protokoły badawcze służące poszukiwaniu przez NASA życia na Marsie.

Obaj laureaci, wraz z Brytyjczykiem Sir Davidem Charlesem Baulcombe, genetykiem i botanikiem, który odkrył, że wirusy mogą mieć w swoim genomie mikroRNA, by manipulować zakażonym organizmem, otrzymali w 2008 roku Nagrodę imienia Laskerów w dziedzinie nauk podstawowych, często poprzedzająca Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny.

Gratulując tegorocznym laureatom, pozostaje refleksja, jak kręte są ścieżki Komitetu Noblowskiego, a także nadzieja na Nobla z fizjologii lub medycyny dla Polki/Polaka (bywało w przeszłości całkiem blisko).

dr hab. Magdalena Masłoń - Małopolskie Centrum Biotechnologii UJ

Tegoroczna Nagroda Nobla honoruje dwóch naukowców, Victora Ambrosa i Gary’ego Ruvkuna, za ich przełomowe odkrycie mikroRNA. mikroRNA to grupa krótkich cząsteczek RNA, które nie kodują białek, ale odgrywają kluczową rolę w regulacji aktywności genów.

U człowieka każda komórka zawiera tą samą informację genetyczną. Mimo to, nasz organizm składa się z różnych typów komórek o wielu funkcjach, na przykład: komórki nerwowe przewodzą sygnały elektryczne, leukocyty produkują przeciwciała niezbędne do walki z infekcją, a komórki B w trzustce wytwarzają insulinę.

Ambros i Ruvkun, podczas stażu podoktorskiego w MIT, zapytali, jak podejmowana jest decyzja o aktywacji lub hamowaniu genów, tak by różne typy komórek rozwinęły się we właściwym czasie i miejscu. Badaczy zainteresowały dwa zmutowane szczepy nicienia C. elegans, lin-4 i lin-14, które nie rozwijały się prawidłowo i wykazywały niewłaściwą aktywację wspomnianych szlaków ekspresji genów. Badacze postanowili zidentyfikować zmutowane geny i poznać ich funkcję. Ambros zaobserwował, że gen lin-4 hamował gen lin-14, ale nieoczekiwanie nie kodował żadnego białka, lecz funkcjonował jako krótka cząsteczka RNA. Ruvkun natomiast wykazał, że to RNA, nie hamowało produkcji mRNA z genu lin-14, ale działało na późniejszym etapie - blokowało produkcję białka lin-14. W kluczowym eksperymencie Ambros i Ruvkun odkryli, że sekwencja tego krótkiego RNA jest komplementarna do fragmentu sekwencji mRNA lin-14 i wiąże się do niej, blokując w ten sposób produkcję białka lin-14. Te wyniki, opublikowane w 1993 roku w dwóch artykułach w Cell, to przełomowe odkrycie nowego mechanizmu regulacji genów przez cząsteczki mikroRNA.

Odkrycie Ambros i Ruvkun było sceptycznie odebrane przez środowisko naukowe. Sądzono, że ten nowy typ regulacji dotyczy tylko nicieni i nie ma znaczenia dla bardziej skomplikowanych organizmów. To przekonanie zmieniło się w 2000 roku, kiedy zespół Ruvkuna odkrył kolejne mikroRNA, let-7, które występuje również u ludzi i większości zwierząt.

Dzisiaj wiemy, że mikroRNA istnieją od milionów lat, umożliwiły powstanie organizmów wielokomórkowych i odgrywają kluczową rolę w rozwoju roślin i zwierząt. U ludzi występuje około 1000 różnych mikroRNA – więcej niż u jakiegokolwiek innego organizmu i to m.in. mikroRNA zawdzięczamy złożoność naszego mózgu. Mutacje w genach ze ścieżki mikroRNA i nieprawidłowa regulacja mikroRNA są związane z chorobami, m.in. nowotworami czy wrodzoną utratą słuchu. Na przykład mutacja w jednym z białek niezbędnych do produkcji mikroRNA prowadzi do zespołu DICER1, ciężkiego zespołu związanego z nowotworami różnych narządów.

Na razie nie ma terapii opartych o mikroRNA, ale według mnie, to kwestia czasu, a potencjał jest ogromny. Jedno mikroRNA może wyłączyć ekspresję wiele różnych mRNA. Może to być postrzegane jako utrudnienie, brak specyficzności, ale moim zdaniem będzie mieć to rewolucyjne znaczenie w leczeniu chorób takich jak nowotwory, gdzie jeden „cel” zazwyczaj nie jest wystarczający dla skutecznej terapii.

Dla mnie jako naukowca, praca Ambrosa i Ruvkuna to przede wszystkim dowód na to, że prowadzenie badań motywowanych ciekawością, zadawanie pytań, nawet niepopularnych, wbrew dogmie, może doprowadzić do odkryć, które zmienią bieg nauki i mogą wpłynąć na przyszłość ludzkości. Tak ważne jest zatem wspieranie tej ciekawości, poprzez finansowanie badań podstawowych przez organizacje takie jak NCN. #NCNtotlen.