Wirusy to patogeny wywołujące choroby zakaźne, a wiele wskazuje na to, że są najliczniejszym bytem na naszej planecie. Jednak poza powszechnie znanymi wirusami infekcyjnymi, elementy pochodzenia wirusowego stanowią również znaczną cześć genomów żyjących organizmów. Retrotranspozony, bo o nich mowa, nazywane również „skaczącymi genami”, są najprawdopodobniej wynikiem infekcji pradawnych wirusów, które w toku ewolucji utraciły zdolność zarażania.

Choć w większości elementy te utraciły mobilność, to ich obecność w naszym DNA wpływa na funkcjonowanie komórki.

Czym są retrotranspozony?

Skaczące geny, ruchome elementy genetyczne, czy wewnątrzkomórkowe wirusy? Odpowiedź brzmi – wszystko na raz. Retrotranspozony to fragmenty DNA, które mają zdolność do przemieszczania się wewnątrz genomu danej komórki na zasadzie „kopiuj-wklej”. Proces ten nazywany jest retrotranspozycją. Na samym początku sekwencja DNA retrotranspozonu, obecna w genomie gospodarza, zostaje skopiowana do cząsteczki RNA i wychodzi z jądra komórkowego do cytoplazmy komórki. W cytoplazmie, cząsteczka RNA staje się instrukcją do produkcji białek retrotranspozonu. Proces ten bardzo przypomina namnażanie wirusa, jak na przykład HIV-1, który zmusza komórkę do produkcji swojego RNA i białek w celu wytworzenia nowego pokolenia wirusa. W przypadku retrotranspozonów, w komórce gospodarza również mogą być produkowane cząstki wirusopodobne. Jednak, w odróżnieniu od wirusów zakaźnych, cząstki retrotranspozonów nie mają zdolności do infekowania kolejnych komórek. Wewnątrz tych cząstek dochodzi do powstania nowej kopii retrotranspozonu, która wbudowuje się do genomu gospodarza, zazwyczaj w innym miejscu niż pierwotna sekwencja.

Warto wspomnieć, że pierwsze ruchome elementy genetyczne zostały odkryte przez Barbarę McClintock na przełomie lat 40. i 50. ubiegłego wieku podczas badań nad cytogenetyką kukurydzy[1]. Badaczka odkryła, że pewne geny odpowiedzialne za kolor nasion kukurydzy mogą w zaskakujący sposób przemieszczać się w obrębie genomu komórki, powodując nieregularne ubarwienie. W 1983 roku za odkrycie tzw. skaczących genów Barbara McClintock została uhonorowana nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny.

Sprzymierzeńcy czy wrogowie?

U człowieka, wszystkie typy ruchomych elementów genetycznych stanowią łącznie blisko 50% genomu[2]. Choć w toku ewolucji ogromna większość z nich ulegała dezaktywacji wskutek mutacji, obecność retrotranspozonów pozostawiła korzystny dla gospodarza ślad. Część sekwencji pochodzenia retrotranspozonowego została udomowiona przez komórki gospodarza i aktualnie koduje ważne funkcjonalnie białka. Ciekawym przykładem u człowieka jest łożyskowo-specyficzny gen kodujący syncytynę[3]. Jego pojawienie w genomie znacząco wpłynęło na ewolucję i przyczyniło się do wykształcenia linii ssaków łożyskowych. Innym genem o pochodzeniu retrotranspozonowym jest ARC, który ulega ekspresji w układzie nerwowym. Jego produktem jest białko Arc - kluczowe dla plastyczności synaps i zaangażowane w procesy uczenia się i zapamiętywania. Najnowsze badania wykazały, że białko to tworzy cząstki wirusopodobne przenoszące RNA pomiędzy komórkami. Zachowane sekwencje retrotranspozonów uznawane są za jeden z ważnych czynników regulujących ekspresji genów. Jednym z takich przykładów jest regulacja aktywności genu amylazy w gruczołach ślinowych.

Z drugiej strony, aktywne retrotranspozony mogą negatywnie wpłynąć na gospodarza. Gdy nowa kopia zostanie wklejona w obrębie ważnego genu, może spowodować jego dezaktywację i brak produkcji odpowiedniego białka. Przykładowo, jeśli jest to białko zabezpieczające przed transformacją nowotworową, to retrotranspozon wbudowujący się w gen kodujący to białko, przyczynia się do nowotworzenia. I odwrotnie, gdy kopia retrotranspozonu znajduje się w pobliżu nieaktywnego genu, proces retrotranspozycji może uaktywnić gen w sposób niepożądany i losowy. U ludzi, lista chorób związanych z aktywnością ruchomych elementów genetycznych dotyczy głównie chromosomu X i obejmuje choroby takie jak hemofilie typu A i B, dystrofia miotoniczna Duchenne’a, czy syndrom Coffina- -Lowry’ego[6]. Doniesienia pokazują również, że aktywność wewnątrzkomórkowych wirusów może aktywować układ immunologiczny i indukować odpowiedź zapalną, w sposób podobny do infekcyjnych wirusów. Nowe zmiany w genomie wiążą się z niestabilnością genetyczną, co ma również bezpośredni związek z chorobami nowotworowymi. U podłoża tych zależności leży jednak znacznie więcej czynników, które cały czas poznajemy.

Prace polskiej badaczki dotyczące struktury RNA retrotranspozonów

Celem pracy badawczej mgr inż. Angeliki Andrzejewskiej-Romanowskiej jest lepsze zrozumienie biologii retrotranspozonów poprzez badania nad strukturą ich genomu RNA.

Cząsteczki RNA, oprócz przenoszenia informacji genetycznej z DNA na białka oraz istotnych funkcji regulatorowych, mogą stanowić także genom. W przypadku wirusów RNA ora retrotranspozonów, pełna instrukcja ich funkcjonowania jest zapisana właśnie w RNA. Cząsteczka RNA ma przeważnie postać pojedynczej nici, która w odróżnieniu od podwójnej helisy DNA, może zwijać się w dowolne struktury. Dzięki tak elastycznemu charakterowi, cząsteczka RNA może przybierać różne przestrzenne formy, co istotnie wpływa na pełnione funkcje. Badanie właściwości i struktury cząsteczek RNA wewnątrz komórek to wciąż duże wyzwanie.