Μία από τις μεγαλύτερες εκπλήξεις των επιστημόνων που στις αρχές της χιλιετίας «διάβαζαν» την αλληλουχία του DNA ήταν το πόσο μικρό ποσοστό αυτού αποτελούν τα γονίδια. Μόλις το 1% των 3 δισεκατομμυρίων γραμμάτων του γενετικού υλικού μας αποτελεί τον κώδικα για τη σύνθεση των πρωτεϊνών. Οσο για το υπόλοιπο, περίπου 25% αφορά ρυθμιστικούς παράγοντες ενώ άγνωστη παραμένει η λειτουργία του 74%.

Οπως προδίδει το όνομά τους, οι ρυθμιστικοί παράγοντες είναι κομβικής σημασίας: τα γονίδια περιέχουν μεν την πληροφορία που εξασφαλίζει την ύπαρξη και την καλή λειτουργία των ζωντανών οργανισμών, αλλά η ζωή δεν θα μπορούσε να υπάρξει χωρίς την ορθή αξιοποίηση αυτής της πληροφορίας, για την οποία επιστρατεύονται οι ρυθμιστικοί παράγοντες. Με άλλα λόγια, για το ποιο γονίδιο θα εκφραστεί, πότε και πού απαιτείται ένας ολόκληρος μηχανισμός εξαιρετικής ακρίβειας, ο οποίος μάλιστα περιέχει και πολλές δικλίδες ασφαλείας.

Μεταγραφικοί παράγοντες

Πρώτο βήμα για την αξιοποίηση της πληροφορίας των γονιδίων είναι η μεταγραφή, δηλαδή η μεταφορά σε ένα μόριο RNA της κωδικευμένης στο DNA γονιδιακής πληροφορίας. Αυτό το τόσο σημαντικό βήμα ρυθμίζεται από παράγοντες που ονομάζονται μεταγραφικοί.

«Το ανθρώπινο γονιδίωμα δεν είναι απλώς μια στατική βιβλιοθήκη πληροφοριών. Είναι ένα δυναμικό σύστημα, και η μεταγραφή – δηλαδή η ανάγνωση των γονιδίων για τη δημιουργία RNA – αποτελεί το βασικό βήμα μέσω του οποίου το DNA αποκτά λειτουργική υπόσταση» εξήγησε μιλώντας στο BHMA-Science ο Αναστάσης Περράκης, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Ουτρέχτης και ερευνητής στο Ολλανδικό Ινστιτούτο για τον Καρκίνο, και πρόσθεσε: «Οι μεταγραφικοί παράγοντες είναι οι επιμελητές αυτής της ανάγνωσης: πρωτεΐνες που προσδένονται σε συγκεκριμένες περιοχές του DNA και είτε ενεργοποιούν είτε καταστέλλουν τη μεταγραφή».

Οι περισσότεροι από τους μεταγραφικούς παράγοντες εμπίπτουν στην κατηγορία που ονομάζεται Zinc Finger (ZNF) και προφανώς η ονοματολογία αυτή δεν είναι τυχαία: διαθέτουν μία χαρακτηριστική δομή, που μοιάζει με δάχτυλο (finger) και η οποία συγκρατείται από ιόντα ψευδαργύρου (zinc). Ετσι οι παράγοντες ZNF καταφέρνουν να «αγκαλιάζουν» τις αλληλουχίες DNA με τις οποίες αλληλεπιδρούν κάθε φορά. Προφανώς, το να βρεθεί ένας μεταγραφικός παράγοντας στη σωστή θέση τη σωστή στιγμή είναι κομβικής σημασίας. Ετσι, κατά τη διάρκεια της εξελικτικής διαδικασίας έχουν προκύψει μηχανισμοί ασφαλείας, μηχανισμοί οι οποίοι διασφαλίζουν την πιστότητα της διαδικασίας.

Ερευνητική «σκυταλοδρομία»

Εναν βασικό κρίκο στην αλυσίδα της ακριβούς μεταγραφής περιέγραψε πρόσφατα η ερευνητική ομάδα του κ. Περράκη με σχετικό άρθρο στο περίβλεπτο επιστημονικό περιοδικό «Science». Ειδικότερα, περιγράφηκε ένα σύμπλοκο δύο πρωτεϊνών, της QRICH1 και της SEPHS1, το οποίο ονομάστηκε «Zincore» και του οποίου ο ρόλος έγκειται στο να κλειδώνει τους μεταγραφικούς παράγοντες ZNF στη σωστή θέση πάνω στο DNA. Το εύρημα θεωρήθηκε ιδιαίτερα σημαίνον καθώς το «Zincore» εξασφαλίζει την έναρξη της μεταγραφής. Βλέπετε, μέχρι τώρα γνωρίζαμε πολλά για το πώς οι μεταγραφικοί παράγοντες σταματούν τη μεταγραφή και ελάχιστα για το πώς την ενεργοποιούν.

Κατά τη διάρκεια της συνομιλίας μας ο Αναστάσης Περράκης θέλησε να διευκρινίσει το πόσο συλλογική υπήρξε η εργασία της ολλανδικής ερευνητικής ομάδας και να δώσει τα εύσημα σε πολλούς ερευνητές, ξεκινώντας από εκείνους που χρόνια πριν ξεκίνησαν τη διερεύνηση της μεταγραφής.

«Η ομάδα του Τάιν Μπράμελκαμπ (Thijn Brummelkamp), ο οποίος πρόσφατα τιμήθηκε με το κορυφαίο ολλανδικό επιστημονικό βραβείο Spinoza, ξεκίνησε πριν από χρόνια ένα ερευνητικό πρόγραμμα με στόχο να συνδέσει συγκεκριμένα γονίδια με συγκεκριμένους φαινοτύπους, δηλαδή ιδιαιτερότητες στη μορφή ή/και λειτουργία των κυττάρων. Τελικό προϊόν του προγράμματος αυτού υπήρξε ο “Φαινόσαυρος”, μια ανεκτίμητη βάση δεδομένων» μας είπε ο έλληνας ερευνητής και πρόσθεσε: «Σημαντική ήταν και η συμβολή του Σεμπάστιαν Νάιτζμεν (Sebastian Nijman), που εδώ και αρκετά χρόνια έχει εγκαταλείψει την ακαδημαϊκή δράση και ασχολείται με νεοφυείς επιχειρήσεις στον κλάδο της βιολογίας. Αυτός είχε την ιδέα για να αναλυθούν τα δεδομένα του “Φαινόσαυρου” με τρόπο που να αποκαλύπτει δυάδες γονιδίων με κοινή δράση».

Ευρύτητα δράσης

Τη δυάδα των γονιδίων που κωδικοποιούν τη σύνθεση των πρωτεϊνών QRICH1 και SEPHS1 αποφάσισε να μελετήσει περαιτέρω η ομάδα Περράκη. Και ειδικότερα, έβαλε στόχο να διερευνήσει το πώς λειτουργεί το σύμπλοκο Zincore. «Με τεχνικές Βιοφυσικής και κρυο-ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, και τη σημαντική βοήθεια από την τεχνητή νοημοσύνη του AlphaFold που έκανε τη δομική ανάλυση πιο γρήγορη και πιο εύκολη, δείξαμε πώς το σύμπλοκο QRICH1–SEPHS1 συνδέεται με ZNF που έχουν ήδη προσδεθεί στο DNA και τα κλειδώνει στη σωστή θέση. Οχι μέσω αναγνώρισης κάποιας συγκεκριμένης αλληλουχίας, αλλά μέσω αναγνώρισης της δομής του ίδιου του ZNF» μας είπε ο έλληνας επιστήμονας και πρόσθεσε: «Αυτό το εύρημα εξηγεί γιατί το Zincore έχει τόσο ευρύ φάσμα δράσης – μπορεί να ενεργοποιεί δεκάδες διαφορετικούς παράγοντες ZNF, πολλοί εκ των οποίων εμπλέκονται σε αναπτυξιακές, ανοσολογικές ή και ογκογόνες διαδικασίες».

Τα μέχρι τώρα δεδομένα δείχνουν ότι το Zincore ενδέχεται να αναδειχθεί σε βασικό στοιχείο της γονιδιακής ρύθμισης σε πλήθος κυτταρικών τύπων. Πολλά από τα ZNF που ενεργοποιούνται από αυτό εμπλέκονται σε καρκίνους, σε αυτοάνοσα νοσήματα, αλλά και σε νευρολογικές διαταραχές. Πράγμα που σημαίνει ότι αν το Zincore μπορεί να τροποποιηθεί ή να ανασταλεί, ενδέχεται να προσφέρει μια εντελώς νέα στρατηγική παρέμβασης σε νόσους ιδιαίτερα δύσκολες ως προς την αντιμετώπιση.

Αν και η περαιτέρω ανάλυση και αξιοποίηση του Zincore δεν αφήνει αδιάφορο τον Αναστάση Περράκη, αυτό που επισημαίνει κλείνοντας τη συνομιλία μας είναι ότι «πίσω από την ανακάλυψη βρίσκεται η σταθερή συνεργασία μεταξύ επιστημόνων από διαφορετικά ιδρύματα, χώρες και πεδία. Μεταξύ βασικής και εφαρμοσμένης βιολογίας, μεταξύ βιοπληροφορικής και δομικής ανάλυσης».

Ισως τελικά το Zincore να μην είναι μόνο ένα μόριο που «κλειδώνει» τον μηχανισμό της μεταγραφής, αλλά κι ένα σύμβολο για το πώς «κλειδώνουν» οι διαφορετικοί τομείς της επιστήμης μεταξύ τους – και τι μπορεί να προκύψει όταν το κάνουν με ακρίβεια.

Από την ανάλυση big data έως τη φασματοσκοπία

Η τεκμηρίωση της δράσης του συμπλόκου Zincore στη μεταγραφή βασίστηκε σε συνεργασίες και ερευνητικές υποδομές που προσέφεραν ένα εντυπωσιακό φάσμα τεχνικών που καλύπτουν όλο το φάσμα της σύγχρονης μοριακής βιολογίας:

• Ανάλυση μεγάλων δεδομένων για τον αρχικό εντοπισμό του συμπλόκου.
• Γενετική τροποποίηση πειραματοζώων που αποδείχθηκε ότι δεν επιβιώνουν χωρίς το Zincore, επισφραγίζοντας τον ζωτικό ρόλο του.
• Ανάλυση μεταγραφής, η οποία συνέδεσε το Zincοre με τη μεταγραφική ρύθμιση.
• Ανοσοκατακράτηση χρωματίνης (δηλαδή DNA) ώστε να εντοπιστούν οι περιοχές πρόσδεσης.
• Πειράματα φθορισμού σε κυτταρικές σειρές ώστε να υπάρξει λειτουργική επιβεβαίωση των ευρημάτων.
• Φασματοσκοπία SPR για μελέτη μοριακών αλληλεπιδράσεων.
• Κρυοηλεκτρονική μικροσκοπία σε συνδυασμό με πρόβλεψη δομών με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης, που αποκάλυψε τη δομική βάση της σύνδεσης και τον μηχανισμό «κλειδώματος».