Een regel voor alles

Volgens een nieuwe biofysische studie zijn de regels die de driedimensionale vormen van de RNA moleculen bepalen, voornamelijk gebaseerd op geometrie en niet op complexe chemische interacties. De bevindingen ontduiken het feit dat NMR spectroscopie en kristallografie X-stralen niet altijd effectieve werktuigen zijn in de analyse van complexe biomoleculen met potentieel myriaden van overeenkomsten.

Chemicus en biofysicus Hashim Al-Hasimi van de Universiteit van Michigan en zijn collega’s beschrijven de geometrische regels van RNA in het blad van 8 januari van “Science”.

“RNA is een zeer buigzame molecule die dikwijls functioneert in verbinding met iets anders en dan radicaal van vorm verandert” verklaart Al-Hasimi. “Deze vormveranderingen zijn op hun beurt de oorzaak van andere processen of opeenvolgende gebeurtenissen, zoals het aan- of uitzetten van specifieke genen.

Nochtans wordt het begrijpen van RNA in detail moeilijker gemaakt dan voor kleine moleculen, omdat RNA niet kan bepaald worden door een enkelvoudige structuur. “Het heeft veel mogelijke richtingen, en verschillende richtingen zijn gestabiliseerd onder verschillende voorwaarden, zoals de aanwezigheid van specifieke moleculen van geneesmiddelen” vult Al-Hasimi aan.

Een voornaam doel in structurele biologie en biofysica, is nochtans om niet alleen de complexe driedimensionale overeenstemming te kunnen voorspellen die RNA aanneemt, en die fundamenteel gedicteerd werden door zijn bouwblokken, maar ook de verschillende vormen die de moleculen aannemen van zodra andere moleculen ermee verbonden worden, of ze nu proteïnen zijn of klein-moleculen geneesmiddelen. Een nieuw gedetailleerd begrip van RNA vorm reactie zou kunnen ertoe kunnen leiden dat we de drie dimensionale structuur van RNA kunnen kneden door de moleculen van de geneesmiddelen, waarmee het in wisselwerking is, te draaien.

Al-Hashimi trekt een parallel met de “overeenstemming” van het menselijk lichaam in actie en hoe RNA veranderingen zich vormen als het in wisselwerking is met zijn chemische omgeving. “Uw lichaam heeft een bepaalde vorm die voorspelbaar verandert wanneer je wandelt of wanneer je een bal opvangt”, zegt hij “wij willen deze anatomische regels in het RNA kunnen verstaan.”

Aan RNA werden talloze vitale cellulaire rollen toegeschreven en de lijst van de ziekten waarmee het slecht functioneren van RNA is geassocieerd, groeit verder: atrofie van de rugspieren, Amyotrofische Laterale Sclerose, Wolcott-Rallison syndroom, prostaat kanker… manieren die ons toelaten om RNA te controleren en te manipuleren worden naarstig gezocht in moleculaire biologie en bij de geneesmiddelen industrie. In zekere zin, vervult het RNA een aantal van zijn rollen door dienst te doen als hefboom. Het verandert van vorm in antwoord op specifieke cellulaire signalen en het is deze verandering dat de oorzaak is van andere reacties en antwoorden in de cel. Het is van belang te op te merken dat retrovirussen, ook van HIV, geen DNA hebben en in plaats daarvan zich op RNA baseren voor hun genetische invasies en vermenigvuldiging door gast cellen.

Voordien hadden Al-Hasimi en zijn collega’s ontdekt dat RNA niet noodzakelijk overeenstemming verandert in direct antwoord op zijn interacties met geneesmiddelen moleculen, maar eerder een kenmerkende weg van vormen volgt, die uit zichzelf veranderen. De geneesmiddelen moleculen wachten gewoon voor de juiste vorm en dan kunnen ze zich aan het RNA binden als het die bepaalde vorm heeft. Wat zijn de regels die de schijnbaar voorspelbare vormveranderingen van RNA bepalen? En zijn deze regels universeel bij alle soorten RNA moleculen? Dat waren de volgende vragen die Al-Hasimi’s team probeerde te beantwoorden.

De structuur van RNA kan gezien worden als analoog tot de structuur van het menselijk lichaam omdat het ledematen heeft die verbonden zijn aan de gewrichten, legt Al-Hashimi uit. De overwegende opinie is echter dat de interacties tussen de structuren aan de uiteinden van de RNA ledematen een rol speelden in het bepalen van de algemene 3D vorm van de molecule, een beetje zoals een handdruk de oriëntatie bepaalt van de twee armen, maar Al-Hasimi’s werk biedt een totaal verschillende perspectief op RNA oriëntatie.

“Wij vroegen ons af of de knooppunten zelf de bepaling geven”, verklaart Al-Hasimi. “Als je naar je arm kijkt, zul je bemerken dat je hem niet zomaar in alle richtingen kan bewegen met betrekking tot je schouder; de arm volgt een bepaalde weg omwille van de geometrie van het gewricht. Wij vroegen ons af of hetzelfde ook waar zou zijn bij het RNA.

Om deze mogelijkheid te onderzoeken, zochten de onderzoekers in een databank van RNA structuren (RNA FRABASE) en in de Proteïne data bank (PDB). “RNA FRABASE is een databank van RNA fragmenten, die put uit de structuren die initieel neergelegd werden in de PDB” verklaart graduaat student Max Bailor. “Het levert een middel voor onderzoekers om gegevens te zoeken, voornamelijk structureel, van RNA motieven die van belang kunnen zijn” zei hij ons, “wij gebruikten het voor een algemeen onderzoek voor alle punten in twee richtingen en dan analyseren we deze punten met onze software om de drie topologische hoeken te bepalen (alfa – twist of helix 2, beta – inter-helix kromming en gamma twist of helix 1).

We gebruikten ook de PDB om een onderzoek te doen van alle RNA-ligand samengesteld. Over het algemeen, elke keer wanneer iemand een structuur oplost, zijn de driedimensionale coördinaten voor deze structuren hier neergelegd. Gebruik makend van de onderzoeksmogelijkheden van de PDB, kon ik al de RNA –ligand structuren doorzoeken om de Asite te vinden, DIS en TPP structuren die in het rapport vermeld werden.”

De onderzoekers ontdekten dat alle structuren met twee helices, aan elkaar verwant door een bepaald soort van verbinding, trinucleotide genaamd, in hetzelfde patroon vielen. De onderzoekers onderzochten dan de structuur van de RNA moleculen met andere soorten van verbindingen en vond dat ook deze bepaald waren door soortelijke patronen, maar het juiste patroon van een bepaald RNA hing af van de structurele functies van zijn verbinding.

“Met deze ontdekkingen moet het nu mogelijk zijn om algemene functies van RNA 3D vormen te voorzien,slechts gebaseerd op hun secundaire structuur, die veel eenvoudiger te bepalen is dan 3D structuren,” besluit Al-Hasimi. “Dit moet het mogelijk maken om inzicht te verwerven in de 3D vormen van RNA structuren die te groot en te gecompliceerd zijn om gevisualiseerd te worden door experimentele technieken zoals X-stralen kristallografie en NMR spectroscopie.”

De anatomische regels van RNA leveren ook een nieuw model waartegen kleine moleculen kunnen getest worden voor hun mogelijkheden om RNA te manipuleren op een bepaalde manier en misschien tot nieuwe geneesmiddelen leiden tegen HIV en andere ziekten waarbij RNA betrokken is.

“De tijd om enkele van deze RNA ziekten te viseren is nu” zei Al-Hashimi aan SpectroscopyNOW” ook al kan het nog enkele jaren duren vooraleer we resultaten zien.”

Vertaling: Rita De Bruyne

Bron: ALS Independence