Om te overleven is verandering noodzakelijk, en wie dat al miljarden jaren geleden doorhad zijn eencellige organismen die leven in hoge temperaturen. Onderzoekers hebben in de afgelopen decennia mechanismen van hun aanpassing bestudeerd en baanbrekende technologieën ontwikkeld, zoals snelle DNA-kopieerprocessen (PCR), de productie van hittebestendige eiwitten en zelfs de productie van brandstoffen en chemicaliën. Onder deze organismen zijn hyperthermofielen bijzonder indrukwekkend; zij vinden hun thuis in vulkaankraters, onderwater-vulkaanopeningen en hete bronnen, waar de temperatuur hoger is dan 80 graden Celsius.
Een nieuwe onderzoeksmethode ontwikkeld door wetenschappers van het Weizmann Instituut onthulde hoe hyperthermofielen hun RNA-moleculen reorganiseren binnen hun ribosomen, de cellulaire eiwitproductiefabrieken, om te overleven bij hoge temperaturen. De bevindingen van professor Sharga Schwartz, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Cell, ondermijnen de algemene opvatting dat fundamentele levensprocessen uniform zijn over soorten en door de tijd heen. Deze resultaten kunnen mogelijk medische en industriële RNA-technologieën verbeteren en geven meer inzicht in een langdurig mysterie binnen de geneesmiddelenontwikkeling.
Ribosomen behoren tot de oudste en meest basale biologische structuren en zijn gemeenschappelijk voor alle levensrijkdommen – archea, bacteriën en eukaryoten. Meer dan 60 jaar geleden werd ontdekt dat ribosomaal RNA chemische ‘bewerkingen’ (modificaties) ondergaat nadat het in de cel is aangemaakt. De moeilijkheid om deze veranderingen te meten maakte het echter onduidelijk in welke mate ze verschillen tussen soorten of afhankelijk zijn van omgevingscondities.
“Tot voor kort werd voornamelijk op basis van studies in gisten en mensen aangenomen dat RNA-bewerking uniform is in ribosomen van individuen binnen dezelfde soort en niet varieert afhankelijk van de omgeving”, legt professor Schwartz uit vanuit de afdeling moleculaire genetica van het instituut. “In de afgelopen jaren zijn echter hints verzameld in enkele soorten dat bewerkingen soms dynamisch kunnen zijn en dat ze de structuur van het ribosoom kunnen aanpassen aan de omgeving. De uitdaging om breed onderzoek te doen ter bevestiging van deze opvatting, was het grote aantal soorten bewerkingen, de moeilijkheid om ze te identificeren en de beperkingen van bestaande methoden, die meestal een enkele bewerking per monster konden testen.”
De nieuwe methode ontwikkeld in professor Schwartz’s lab, onder leiding van Dr. Miguel A. Garcia Campos, maakt het mogelijk om gelijktijdig 16 verschillende soorten bewerkingen in tientallen RNA-monsters te onderzoeken en bevordert daarmee het onderzoek naar RNA-bewerking. Met deze aanpak hebben de wetenschappers voor het eerst de bewerkingen in 10 eencellige soorten in kaart gebracht en deze vergeleken met vier soorten die voorheen bestudeerd waren. Ze kozen speciaal voor soorten die overleven in extreme omgevingscondities, waaronder drie hyperthermofiele soorten, in de veronderstelling dat als ribosomen een aanpassingsmechanisme voor de omgeving hebben, dit bij hen zou te vinden zijn.
“Terwijl de meeste bacteriën en archea zich tevredenstellen met tientallen modificaties in hun ribosomaal RNA, vonden we in de hyperthermofiele soorten honderden bewerkingen”, beschrijft professor Schwartz. “In feite bleek dat hoe hoger de natuurlijke omgevingstemperatuur van een organisme, hoe meer bewerkingen het uitvoert.”
Na het vaststellen van verschillen tussen soorten met verschillende leefomgevingen, onderzochten de wetenschappers of dezelfde soort in staat is om zijn ribosomale RNA opnieuw te bewerken – en zo de structuur van het ribosoom aan te passen – afhankelijk van veranderingen in de omgeving gedurende hun levenscyclus. Voor deze reden werd elke soort gekweekt onder drie tot vijf verschillende omgevingscondities.
Bij eencellige organismen die leven bij normale temperaturen waren de meeste bewerkingen constant en afhankelijk van de groeicondities. Aan de andere kant waren bijna de helft van de modificaties in hyperthermofielen dynamisch en traden ze op op steeds meer locaties in de RNA-moleculen naarmate de temperatuur steeg. De wetenschappers concludeerden hieruit dat veranderingen in de structuur van het ribosoom niet alleen mogelijk zijn, maar ook een belangrijk aanpassingsmechanisme vormen.
De onderzoekers identificeerden drie soorten veranderingen die systematisch en op grote schaal toenamen met de temperatuur. “Een bijzonder verrassende ontdekking was dat een van deze bewerkingen – de toevoeging van een methylgroep – in hyperthermofiele soorten bijna altijd samenkwam met een andere bewerking – de toevoeging van een acetylgroep”, vertelt professor Schwartz. “Dit suggereert dat deze toevoegingen samen functioneren.”
Wat nog niet duidelijk was, is hoe de bewerking de structuur van het ribosoom verandert. Om dit te onderzoeken, werkte het team samen met professor Moran Shalev Ben-Ami’s groep bij de afdeling structurele en chemische biologie van het instituut, die cryo-elektronenmicroscopie van individuele deeltjes uitvoerde en het ribosoom van een hyperthermofiele archeon in kaart bracht. De wetenschappers in kaart brachten de structuur in twee toestanden – wanneer het methylase-enzym actief was bij hoge temperaturen en wanneer het was uitgeschakeld.
De onderzoekers ontdekten dat de methylgroepen die bij hoge temperaturen worden toegevoegd, verspreid zijn over het ribosoom en verschillende zwakke verbindingen met omgevingsmoleculen vormen die samen de structuur versterken. Ook identificeerden ze dat in gebieden waar bewerkingsveranderingen plaatsvonden, er minder openingen in het ribosoom waren, waardoor “gaten” in de structuur werden “dichtgestopt”.
De nieuwe bevindingen onthullen een geavanceerd mechanisme waarin subtiele chemische veranderingen in een RNA-molecuul de structurele stabiliteit aanzienlijk kunnen verbeteren en het functioneren in een veranderende omgeving mogelijk maken. Dit biedt een mogelijke oplossing voor de ‘magische methyl’-mysterie – een onverklaarbare verbetering van meer dan 100 keer in de efficiëntie van sommige medicijnen die is waargenomen bij de toevoeging van een methylgroep.
“Tegenwoordig komt de mogelijkheid naar voren dat ten minste een deel van de bewerkingsveranderingen in een RNA-molecuul – zoals methylatie en acetylatie – niet geïsoleerd van elkaar zijn, en dat we ze als een doorlopende code moeten proberen te ontcijferen”, zegt professor Schwartz. “Ons onderzoek naar ribosomaal RNA draagt bij aan het begrip van de relatie tussen verschillende bewerkingsveranderingen, en de methode die we hebben ontwikkeld zal de studie van veel verschillende soorten bewerkingen en nieuwe soorten versnellen en uitbreiden.”
“Veel RNA-gebaseerde technologieën zijn momenteel op de markt of in ontwikkeling – van vaccins tegen epidemieën tot tests en behandelingen voor kanker en tools voor genetische bewerking in de biotechnologie en geneeskunde”, voegt hij eraan toe. “Het natuurlijke bewerkingsproces van RNA heeft een verbouwing ondergaan van miljarden jaren en het onthullen van zijn geheimen kan leiden tot de ontwikkeling van betrouwbaardere en efficiëntere RNA-gebaseerde technologieën.”
