Cosa succede quando un meccanismo di controllo della qualità dei geni fallisce? / What Happens When a Gene Quality-Control Mechanism Fails?
Cosa succede quando un meccanismo di controllo della qualità dei geni fallisce? / What Happens When a Gene Quality-Control Mechanism Fails?
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Le immagini al microscopio indicano una moltitudine di RNA anomali (gialli) nelle cellule fibroblastiche di un paziente con una mutazione dell'integratore, a sinistra, rispetto alle cellule normali, a destra. / Microscopy images indicate a plethora of abnormal RNAs (yellow) in fibroblast cells from a patient with an Integrator mutation, left, compared to normal cells, right.
Uno studio risolve l'enigma di come le mutazioni nel complesso Integrator siano correlate alla neurodegenerazione ed al cancro.
In sintesi
Lo studio fornisce una spiegazione a lungo attesa per i sintomi osservati nei pazienti con mutazioni in un meccanismo di controllo della qualità genetica chiamato Integratore.
I risultati mostrano che le mutazioni nel complesso Integrator, collegate a tumori, disturbi del sangue, anomalie dello sviluppo neurologico ed altre malattie, causano stress cronico nelle cellule.
I risultati richiamano l'attenzione su un tipo di molecola finora trascurata nelle cellule e suggeriscono una possibile via terapeutica.
Un nuovo studio ha scoperto che il malfunzionamento di un meccanismo di controllo qualità della lettura genica chiamato Integrator lascia le cellule disseminate di filamenti di RNA anomali che aumentano lo stress cellulare e possono contribuire a malattie come il cancro e la neurodegenerazione.
La ricerca, finanziata dal governo federale e pubblicata il 14 aprile sulla rivista Cell, è la prima a rivelare le conseguenze di tali fallimenti. In tal modo, spiega alcuni dei sintomi osservati nei pazienti con mutazioni del gene Integrator che hanno lasciato perplessi i medici e suggerisce una possibile via terapeutica.
"Normalmente è possibile osservare l'attività genica alterata nei pazienti con una mutazione e capire come si arriva da lì ai sintomi del paziente. Ma con Integrator, l'attività genica non spiega i sintomi", ha affermato l'autrice senior Karen Adelman , professoressa Edward S. Harkness di chimica biologica e farmacologia molecolare presso il Blavatnik Institute della Harvard Medical School.
"Abbiamo scoperto che non sono determinati geni a causare i sintomi, bensì l'abbondanza di RNA incompleti e di scarsa qualità che vengono prodotti quando Integrator subisce una mutazione", ha affermato.
I risultati evidenziano la necessità di prestare maggiore attenzione agli RNA incompleti, che sono stati generalmente trascurati nella ricerca e nella medicina.
"Studio la trascrizione genica da molto tempo e mi sono sempre concentrato sulla misurazione della quantità di RNA maturo e completo prodotto da ciascun gene", ha affermato Adelman. "Noi proponiamo che l'RNA immaturo, che la maggior parte degli studi ignora, sia proprio la causa dello stress e del danno cellulare."
Questo nuovo studio apre la strada ad una migliore comprensione delle malattie associate non solo alle mutazioni dell'integratore, ma anche ad altri malfunzionamenti simili nella produzione di RNA.
L'importanza di completare la maratona genetica
L'integratore è uno dei numerosi complessi proteici presenti nel nucleo cellulare che contribuiscono a controllare quali geni possono essere "letti" ed, in definitiva, tradotti nelle proteine che svolgono le funzioni vitali.
Adelman ed i suoi colleghi, guidati dalla prima autrice Apoorva Baluapuri, ricercatrice in chimica biologica e farmacologia molecolare presso il laboratorio Adelman, si sono concentrati sulla proteina Integrator perché le mutazioni in essa contenute sono state collegate a disturbi neurologici ed ematologici, tumori, ciliopatie, anomalie dello sviluppo ed altre patologie.
L'integratore garantisce che il macchinario che si prepara a leggere una sequenza genica possa arrivare fino alla fine del gene. Questo può rappresentare una vera sfida per i geni molto lunghi.
"È come quando gli organizzatori della maratona di Boston non permettono a chiunque di presentarsi a correre; organizzano delle prove a tempo per assicurarsi che i corridori siano in grado di completare la gara", ha detto Adelman.
Ma a volte, quando si verifica una mutazione nel complesso dell'integratore, un meccanismo non adatto al compito si insinua nel gene.
"È come lasciarmi iniziare una maratona. Andrebbe bene per un breve tratto, ma non arriverei mai al traguardo", ha detto Adelman.
Ciò si traduce in molecole di RNA incomplete che contengono sequenze potenzialmente dannose chiamate introni.
Molti ricercatori avevano ipotizzato che questi RNA venissero distrutti prima di poter uscire dal nucleo e che quindi non danneggiassero la cellula.
"Nessuno aveva studiato cosa succede quando si lascia che questo meccanismo difettoso legga i geni", ha detto Adelman. "Nessuno si era mai chiesto: 'C'è un introne che si fa strada nel citoplasma e vi rimane intrappolato?'"
Il suo gruppo ha posto la domanda e ha scoperto una risposta preoccupante.
Cellule stressate
Studiando le colture cellulari, i ricercatori hanno scoperto che gli RNA anomali escono dal nucleo e, una volta raggiunto il citoplasma, possono ripiegarsi su se stessi formando RNA a doppio filamento, un fenomeno che si osserva tipicamente solo quando una cellula è infettata da un virus.
Ulteriori esperimenti hanno rivelato che sia la diminuzione della corretta funzione dell'Integratore sia l'aumento degli RNA a doppio filamento stimolano una via di segnalazione dello stress a livello cellulare nota come risposta integrata allo stress. L'attivazione cronica di questa risposta è stata osservata nell'invecchiamento, nella neurodegenerazione e nel cancro. Alcuni ricercatori sostengono che essa svolga un ruolo importante anche nei disturbi cognitivi e metabolici.
Quando il gruppo ha esaminato campioni di tessuto prelevati da pazienti con mutazioni del gene Integrator, ha osservato la stessa risposta allo stress.
"Non ci eravamo resi conto di quanto i filamenti di RNA scadenti ed immaturi potessero causare problemi", ha affermato Adelman.
Ma ci sono buone notizie.
Il gruppo ha scoperto che una molecola chiamata PKR (proteina chinasi R) contribuisce alla risposta allo stress quando riconosce l'RNA a doppio filamento e che il trattamento delle cellule con inibitori della PKR alleviava lo stress.
I risultati indicano che colpire la PKR potrebbe rappresentare una strada promettente per il trattamento delle malattie derivanti da mutazioni dell'integratore. I ricercatori hanno un vantaggio iniziale: molti inibitori della PKR sono già in fase di sviluppo e gli studi suggeriscono che alcuni farmaci approvati dalla FDA, tra cui la metformina, un farmaco per il diabete, sopprimono anch'essi la PKR.
Nascosto in bella vista
La maggior parte dei test scientifici e diagnostici non rileva gli RNA non processati e ripiegati su se stessi. Il gruppo di Adelman ha dovuto sviluppare un metodo per studiarli.
Scienziati e medici hanno contattato il suo laboratorio per analizzare campioni di pazienti o per imparare a rilevare gli RNA stessi.
"Riceviamo segnalazioni da parte di medici che non sono soddisfatti della comprensione di come le mutazioni nell'Integratore od in altri regolatori della trascrizione causino la malattia dei loro pazienti", ha affermato Adelman. "Dicono: 'Ah, ecco! Potrebbe essere proprio questo'. Questo è forse l'aspetto più gratificante di questo lavoro."
Adelman e colleghi sottolineano che, sebbene lo studio stia aprendo gli occhi della comunità scientifica su un nuovo meccanismo patogenetico, gli RNA a doppio filamento non spiegheranno ogni disturbo legato a malfunzionamenti in complessi come Integrator.
"È un elemento da aggiungere alla lista di controllo diagnostica se un paziente presenta una mutazione in un regolatore della trascrizione genica ed il suo genotipo ed il fenotipo [i sintomi] non sembrano correlati", ha affermato.
Le scoperte del gruppo suggeriscono il motivo per cui le mutazioni dell'integratore sembrano avere un effetto sproporzionato sui neuroni: i geni neuronali sono i più lunghi del genoma umano.
"Quelle sono le maratone che un macchinario non allenato ha meno probabilità di portare a termine."
ENGLISH
Study solves riddle of how mutations in Integrator complex relate to neurodegeneration, cancer
At a glance
Study provides a long-awaited explanation for symptoms seen in patients with mutations in a genetic quality-control mechanism called Integrator.
Findings show that mutations in the Integrator complex — linked to cancers, blood disorders, neurodevelopmental abnormalities, and other diseases — cause chronic stress in cells.
Results call attention to an overlooked type of molecule in cells and suggest a path toward treatment.
Failure of a gene-reading quality-control mechanism called Integrator leaves cells littered with abnormal RNA strands that increase cell stress and may contribute to diseases such as cancer and neurodegeneration, a new study has found.
The federally funded research, published April 14 in Cell, is the first to reveal the consequences of such failures. In doing so, it explains some of the symptoms seen in patients with Integrator mutations that have stumped doctors and suggests a path toward treatment.
“Normally you can look at the altered gene activity in patients with a mutation and understand how you get from there to the patient’s symptoms. But with Integrator, the gene activity doesn’t explain the symptoms,” said senior author Karen Adelman, the Edward S. Harkness Professor of Biological Chemistry and Molecular Pharmacology in the Blavatnik Institute at Harvard Medical School.
“We discovered that it’s not certain genes causing the symptoms, it’s the abundance of poor-quality, incomplete RNAs that are made when Integrator is mutated,” she said.
The results call for more attention to incomplete RNAs, which have been generally overlooked in research and medicine.
“I’ve been studying gene transcription for a long time, and the focus has always been on measuring the amount of mature, full-length RNA made from each gene,” Adelman said. “We’re proposing that the immature RNA that most studies ignore is the very thing that causes cell stress and damage.”
The new work opens the door to better understanding diseases associated not just with Integrator mutations but with other, similar malfunctions in RNA production.
The importance of finishing the gene marathon
Integrator is one of many protein complexes in the cell nucleus that help control which genes can be “read” and ultimately translated into the proteins that perform the functions of life.
Adelman and colleagues — led by first author Apoorva Baluapuri, research fellow in biological chemistry and molecular pharmacology in the Adelman Lab — focused on Integrator because mutations in it have been linked to neurologic and blood disorders, cancers, ciliopathies, developmental abnormalities, and other diseases.
Integrator ensures that the machinery preparing to read a gene sequence can make it all the way to the end of the gene. That can be quite a challenge for very long genes.
“It’s like how race officials don’t let any random person show up to run the Boston Marathon; they hold time trials to make sure runners can finish,” Adelman said.
But sometimes, when there’s a mutation in the Integrator complex, machinery that’s not up to the task sneaks into the gene.
“It’s like letting me start a marathon. It would be okay for a short distance, but I’d never make it to the end,” Adelman said
This results in incomplete RNAs that contain potentially harmful sequences called introns.
Many researchers had assumed that these RNAs get destroyed before they’re able to leave the nucleus and therefore don’t harm the cell.
“No one had studied what happens when you let this faulty machinery read genes,” Adelman said. “People had never asked, ‘Is there an intron making its way into the cytoplasm and hanging out?’”
Her team asked — and found a concerning answer.
Stressed-out cells
Studying cell cultures, the researchers found that the abnormal RNAs do leave the nucleus, and when they reach the cytoplasm, they can fold back on themselves and make double-stranded RNA — something typically seen only when a cell is infected by a virus.
Further experiments revealed that both the drop in proper Integrator function and the rise of double-stranded RNAs stimulate a cell-wide stress pathway known as the integrated stress response. Chronic activation of this response has been seen in aging, neurodegeneration, and cancer. Some researchers argue it also plays a major role in cognitive and metabolic disorders.
When the team looked in tissue samples from patients with Integrator mutations, they observed the same stress response.
“We didn’t realize the extent to which shoddy, immature RNAs would cause trouble,” Adelman said.
But there is good news.
The team found that a molecule called PKR (protein kinase R) contributes to the stress response when it recognizes the double-stranded RNA — and that treating cells with PKR inhibitors relieved the stress.
The results indicate that targeting PKR could be a promising avenue for treating illnesses arising from Integrator mutations. Researchers have a head start: Many PKR inhibitors are already in development, and studies suggest that some FDA-approved drugs, including the diabetes drug metformin, also suppress PKR.
Hidden in plain sight
Most scientific and diagnostic tests don’t detect unprocessed, doubled-over RNAs. Adelman’s team had to develop a method to study them.
Scientists and clinicians alike have been contacting her lab seeking to test patient samples or learn how to detect the RNAs themselves.
“We’re hearing from clinicians who haven’t been satisfied with the understanding of how mutations in Integrator or other transcription regulators cause their patients’ disease,” Adelman said. “They say, ‘Ah ha! This could be it.’ That may be the most gratifying aspect of this work.”
Adelman and colleagues emphasize that while the study is opening the field’s eyes to a new disease mechanism, double-stranded RNAs won’t explain every disorder linked to malfunctions in complexes like Integrator.
“It’s something to add to a diagnostic checklist if a patient has a mutation in a gene transcription regulator and their genotype and phenotype [symptoms] don’t seem connected,” she said.
The team’s insights do suggest why Integrator mutations seem to have an outsize effect on neurons: Neuronal genes are the longest in the human genome.
“Those are the marathons the unfit machinery is least likely to finish running.”
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