30 mei

Het leven en de dood van individuele mRNA moleculen

Terug naar nieuws

Een cellulair systeem om defecte mRNAs moleculen af te breken kan voor het eerst op het het niveau van individuele moleculen bekeken worden. Onderzoekers van de Tanenbaum groep op het Hubrecht Instituut ontwikkelden een nieuwe methode om deze cellulaire kwaliteitscontrole, genaamd ‘nonsense mediated mRNA decay’, met de microscoop te bekijken in levende cellen. Hun studie is op 30 mei gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Molecular Cell.

Schematische weergave van de vertaling van een mRNA molecuul. Ribosomen vertalen een mRNA molecuul en dit resulteert in de productie van een compleet eiwit (protein).

Van gen naar eiwit
Ondanks dat cellen in het lichaam verschillende functies hebben, bevat elke cel hetzelfde DNA. De verschillende functies worden bepaald door welke genen in het DNA actief zijn, en welke niet. Om hun functie te kunnen vervullen moeten genen eerst gekopieerd worden van DNA naar mRNA. Dit mRNA wordt vanuit de kern van de cel getransporteerd naar het cytoplasma (de vloeistof in de rest van de cel), en wordt daar door ribosomen vertaald naar eiwit. Ribosomen zijn kleine fabriekjes die het mRNA lezen en de genetische code vertalen. Ze gaan door met lezen totdat ze een specifieke code (een stopcodon) tegenkomen die het ribosoom vertelt dat het eiwit voltooid is (zie figuur). Eiwitten zijn de werkpaarden van de cel, en vervullen de functies die gecodeerd zijn in de genen.

Het proces van DNA naar mRNA naar eiwit kun je vergelijken met het maken van een auto: Een blauwdruk van de auto staat op een document op de computer (het DNA in de kern). Deze blauwdrukken worden dan geprint (gekopieerd naar mRNA) en naar de fabriek gebracht (de ribosomen), waarna de auto in de fabriek in elkaar wordt gezet (vertaling van het mRNA naar een eiwit).

Nonsense-mediated mRNA decay
Mutaties, of fouten, in de DNA-code van genen kunnen ziektes veroorzaken. Een soort mutatie die vaak tot ziektes leidt is de nonsense mutatie, waarin een stopcodon op de verkeerde plek in een gen zit (een prematuur stopcodon). Dit zorgt ervoor dat eiwitten niet volledig afgemaakt worden, en deze kortere eiwitten zijn vaak schadelijk voor de cel. In onze analogie zou dit een auto zijn die wel kan rijden, maar geen remmen of stuur heeft.

Cellen hebben een systeem dat deze fouten herkent en daardoor de productie van schadelijke eiwitten kan voorkomen. Dit systeem wordt nonsense-mediated mRNA decay, of NMD, genoemd. Ribosomen die foute mRNAs vertalen herkennen de fout en zorgen ervoor dat het mRNA wordt vernietigd, net zoals de geprinte blauwdrukken van auto’s weggegooid zouden worden zodra er fouten worden opgemerkt, om te voorkomen dat er meer kapotte auto’s gemaakt worden.

Individuele mRNA moleculen
Voorheen bestudeerden wetenschappers duizenden of miljoenen mRNA moleculen tegelijkertijd om te begrijpen hoe deze mRNAs worden afgebroken. Hoewel hier vele inzichten uit zijn voortgekomen maakt dit het moeilijk om de volledige complexiteit van NMD te bestuderen, net zoals een jaarlijks aantal auto-ongelukken in Nederland weinig zegt over waarom individuele auto’s in een ongeluk terechtkomen. De onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee ze NMD van individuele mRNA moleculen zichtbaar kunnen maken onder de microscoop. Met hun techniek kunnen ze allerlei vragen bestuderen, zoals ‘Wordt een fout in het mRNA altijd herkend door het eerste ribosoom?’, ‘Wat gebeurd er precies met een mRNA tijdens NMD?’, ‘Zijn er verschillende groepen mRNAs die meer of minder gevoelig zijn voor NMD?’, en ‘Zijn alle cellen even efficiënt in NMD?’

Het leven van een mRNA zichtbaar maken
Met hun nieuwe techniek kunnen de onderzoekers precies zien wanneer elk mRNA molecuul gemaakt wordt, wanneer het voor het eerst wordt vertaald door een ribosoom, en wanneer het wordt vernietigd via NMD. Om dit te kunnen doen wordt een mRNA eerst gelabeld met een rode kleur. Wanneer een ribosoom begint met het vertalen van het mRNA, wordt het eiwit dat gemaakt wordt gelabeld met een groene kleur. Activatie van NMD zorgt ervoor dat het mRNA in twee stukken wordt geknipt, waardoor de rode en groene stip van elkaar af bewegen (zie figuur). Hierdoor kunnen de onderzoeker het hele leven van een individuele mRNA moleculen volgen, en weten ze waar, wanneer en hoe mRNAs afgebroken worden.

Bovenste deel: Schematische weergave van de manier waarop NMD wordt bestudeerd. Links: vóór het knippen van het mRNA molecuul, rechts: ná het knippen van het mRNA molecuul. In de vierkanten rechtsboven wat te zien is onder de microscoop: het mRNA is zichtbaar als een rode stip, het eiwit als een groene stip. Als ze overlappen is het mRNA molecuul nog niet geknipt, wanneer ze van elkaar weg bewegen is het mRNA molecuul geknipt. Onderste deel: Microscoop foto’s van mRNA molecule die vertaald worden. Het vertalen van een normaal mRNA molecuul zonder prematuur stopcodon overlappen de rode en groene stip, wat eruitziet als een gele stip. Bij het vertalen van een mRNA molecuul met een prematuur stopcodon bewegen de rode en groene stip uit elkaar na het knippen van het mRNA. De tijd is weergegeven als min:sec.

Nieuwe inzichten
De wetenschappelijke gemeenschap dacht lang dat NMD alleen kon gebeuren als een mRNA net was geproduceerd, tijdens de eerste ronde(s) van de vertaling naar eiwit. De onderzoekers zagen echter dat de meeste mRNAs met een prematuur stopcodon tijdens hun hele leven kwetsbaar zijn voor NMD, en dat elke ribosoom een gelijke kans heeft om NMD te activeren. Ze zagen ook dat niet alle premature stopcodons even goed opgemerkt worden door het kwaliteitscontrole systeem van de cel, en ze laten zien waarom sommige van deze defecten beter herkend worden dan andere defecten.

Het remmen van NMD
NMD beschermt de cel door productie van defecte eiwitten te voorkomen, maar in sommige gevallen kan NMD juist een negatief effect hebben op het verloop van een ziekte. Als een auto een klein probleem heeft, zoals een raam dat niet opent, wil je waarschijnlijk niet de hele auto weg doen. Dit kan in de cel net zo zijn; sommige mutaties zorgen voor een klein defect in een eiwit, maar omdat deze mutaties leiden tot NMD wordt er helemaal geen eiwit meer gemaakt, waardoor de ziekte juist erger wordt. Het beter begrijpen van de moleculaire mechanismen van NMD zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van specifieke remmers van NMD die gebruikt zouden kunnen worden om patiënten met dit soort mutaties te behandelen.


Publicatie
Single molecule imaging uncovers rules governing nonsense-mediated mRNA decay. Tim A. Hoek*, Deepak Khuperkar*, Rik G. H. Lindeboom, Stijn Sonneveld, Bram M. P. Verhagen, Sanne Boersma, Michiel Vermeulen and Marvin E. Tanenbaum. Molecular Cell 2019.
* contributed equally

Voor dit onderzoeksproject heeft de Tanenbaum groep samengewerkt met de Vermeulen groep op het RIMLS in Nijmegen.

 

 

Marvin Tanenbaum is groepsleider bij het Hubrecht Instituut en Oncode Investigator.