Ο ρόλος παραγόντων μεταβολισμού mRNA στη γήρανση και τη φυσιολογία του νηματώδους C. elegans
Authors: Μπορμπόλης Κάρολος-Φοίβος 
Published: September 2021

Ο μεταβολισμός των μορίων mRNA των ευκαρυωτικών κυττάρων αποτελεί μια πολύπλοκη διαδικασία, η οποία χαρακτηρίζεται από σύνθετα μοριακά γεγονότα. Κατά τη διάρκεια της ζωής τους τα μετάγραφα αλληλεπιδρούν με ένα πλήθος πρωτεϊνών, σχηματίζοντας ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σύμπλοκα. Η σύσταση και η αναδιαμόρφωση των συμπλόκων αυτών καθορίζει ουσιαστικά την τύχη των mRNA, καθοδηγώντας διαδικασίες όπως η ωρίμανση, η έξοδος από τον πυρήνα, η μετάφραση, η αποσιώπηση και η αποικοδόμησή τους. Ιδιαίτερα ο καταβολισμός του mRNA κατέχει εξέχουσα σημασία στη φυσιολογία των κυττάρων, καθώς είναι απαραίτητος όχι μόνο για την αποικοδόμηση φυσιολογικών μετάγραφων που ολοκλήρωσαν τον κύκλο ζωής τους, αλλά και των ελαττωματικών που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην παραγωγή τοξικών πεπτιδίων. Επιπλέον, η γρήγορη σταθεροποίηση και αποσταθεροποίηση συγκεκριμένων μορίων mRNA, ως απόκριση σε ερεθίσματα, επιτρέπει την ταχεία ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης κάτω από μεταβαλλόμενες συνθήκες. Κεντρικό ρόλο στο γενικό μονοπάτι καταβολισμού των mRNA, αλλά και σε εξειδικευμένες υποπεριπτώσεις, όπως η επαγόμενη από miRNA αποικοδόμηση, διαδραματίζει το ένζυμο αφαίρεσης της καλύπτρας από το 5’ άκρο των μορίων, μια διαδικασία που καθιστά τα μετάγραφα ευαίσθητα στην αποικοδόμηση από εξωνουκλεάσες στην κατεύθυνση 5’→3’. Στο νηματώδη σκώληκα Caenorhabditis elegans η κωδικοποίηση της ρυθμιστικής και της καταλυτικής υπομονάδας του ενζύμου επιτελείται από τα γονίδια dcap-1 και dcap-2 αντίστοιχα. Μεταλλαγές στα γονίδια αυτά, που οδηγούν σε απώλεια λειτουργίας των προϊόντων τους, έχει βρεθεί ότι προκαλούν πλειοτροπικά αποτελέσματα στη φυσιολογία του οργανισμού, οδηγώντας, μεταξύ άλλων, στην εμφάνιση σημαντικής υστέρησης στο ρυθμό της μετα-εμβρυϊκής ανάπτυξης και ελάττωσης τη διάρκειας ζωής των ατόμων. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, οι μεταλλαγές στα γονίδια dcap-1 και dcap-2 βρέθηκαν να καταστέλλουν την ικανότητα του νηματώδους να εκτελέσει ένα εναλλακτικό αναπτυξιακό πρόγραμμα, ως προσαρμοστική απόκριση κατά την ανάπτυξή του σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας. Στα αγρίου τύπου άτομα, το εναλλακτικό αυτό πρόγραμμα επιτρέπει τη διάπαυση των ατόμων υπό τη μορφή προνυμφών dauer, οι οποίες μπορούν να επιβιώσουν για μήνες υπό δυσμενείς συνθήκες και να επανέλθουν στο φυσιολογικό μονοπάτι ανάπτυξης όταν βρεθούν σε ευνοϊκά περιβάλλοντα. Αντίθετα, η ανάπτυξη των μεταλλαγμάτων dcap-1 και dcap-2 υπό υψηλή θερμοκρασία βρέθηκε να αναστέλλεται μη αντιστρεπτά σε ένα νεαρό προνυμφικό στάδιο, χωρίς να προσφέρει κανένα πλεονέκτημα στην επιβίωση των ατόμων. Η αναστολή της ανάπτυξης των μεταλλαγμένων στελεχών βρέθηκε να συμβαίνει ανεξάρτητα από τη λειτουργία των ενδοκρινικών μονοπατιών που ρυθμίζουν φυσιολογικά τη διάπαυση, συσχετίστηκε όμως με μια αφύσική σταθεροποίηση των επίπεδων mRNA του ετεροχρονικού γονιδίου lin-14. Σε αγρίου τύπου άτομα, η έκφραση του γονιδίου αυτού μειώνεται δραστικά στο τέλος του πρώτου προνυμφικού σταδίου, μέσω της αποσιώπησής του από το miRNA lin-4, επιτρέποντας τη μετάβαση είτε στο δεύτερο προνυμφικό στάδιο, υπό ευνοϊκές συνθήκες, είτε στο στάδιο dauer σε δυσμενή περιβάλλοντα. Η αδυναμία επαρκούς μείωσης των επίπεδων mRNA του lin-14 στο νευρικό σύστημα του νηματώδους αναγνωρίστηκε ως η μοριακή αιτία που οδηγεί στην αναστολή της ανάπτυξης των μεταλλαγμένων ατόμων σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς αυτή μπορεί να κατασταλεί μέσω της νευροειδικής αποκατάστασης της λειτουργίας του ενζύμου αφαίρεσης της καλύπτρας. Αντίστοιχα, η μελέτη των φαινότυπων των μεταλλαγμένων ατόμων σε φυσιολογική θερμοκρασία αποκάλυψε ότι η υστέρηση που παρουσιάζουν στο ρυθμό της ανάπτυξης καταστέλλεται επίσης από την αποκατάσταση της λειτουργίας του ενζύμου στο νευρικό ιστό. Παράλληλα, ο μηχανισμός αποσιώπησης του lin-14 παρατηρήθηκε ότι χάνει τη αποτελεσματικότητά του στα μεταλλάγματα dcap-1 και dcap-2 και σε φυσιολογική θερμοκρασία, υποδεικνύοντας ότι η σταθεροποίηση των επιπέδων mRNA του lin-14 αποτελεί την αιτία εμφάνισης δυσλειτουργιών κατά την ανάπτυξη τους σε όλες τις θερμοκρασίες. Επιπλέον, η μελέτη της επίδραση της ιστοειδικής έκφρασης του γονιδίου dcap-1 στη μακροβιότητα αποκάλυψε ότι η υπερέκφρασή του στο νευρικό σύστημα οδηγεί σε μία σημαντική καθυστέρηση του ρυθμού γήρανσης και αύξηση της διάρκειας ζωής, ενώ μία αντίστοιχη, αλλά μικρότερης έντασης επίδραση παρατηρήθηκε και κατά την υπερέκφραση αποκλειστικά στο έντερο. Αντίθετα, η νευροειδική αποσιώπηση των γονιδίων dcap-1 και dcap-2 προκάλεσε σημαντική μείωση στη διάρκεια της ζωής. Παράλληλα, η σχέση μεταξύ των επιπέδων έκφρασης των συστατικών του ενζύμου αφαίρεσης της καλύπτρας και της μακροβιότητας βρέθηκε να μην περιορίζεται στον C. elegans, αλλά να είναι εξελικτικά συντηρημένη, καθώς τόσο η νευροειδική υπερέκφραση, όσο και η νευροειδική αποσιώπηση του γονιδίου dDcp1, ομόλογου του dcap-1 στη Drosophila melanogaster, βρέθηκαν να αυξάνουν ή να μειώνουν αντίστοιχα τη διάρκεια της ζωής της μύγας του ξυδιού. Η διερεύνηση των μηχανισμών που οδηγούν στη μακροβιότητα των διαγονιδιακών ατόμων του νηματώδους, που υπερεκφράζουν το γονίδιο dcap-1 στο νευρικό τους σύστημα, αποκάλυψε ότι αυτή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δράση του μεταγραφικού παράγοντα DAF-16/FOXO, τελεστή του μονοπατιού της ινσουλίνης, σε κύτταρα άλλων ιστών. Η μεταγωγή του σήματος μακροβιότητας μεταξύ των ιστών βρέθηκε να διαμεσολαβείται, τουλάχιστον εν μέρει, από τα επίπεδα έκφρασης του ινσουλινόμορφου πεπτιδίου INS-7. Επιπλέον, η αποσιώπηση του μεταγραφικού παράγοντα LIN-14, που αυξάνει τη διάρκεια ζωής των ατόμων αγρίου τύπου, βρέθηκε να μη δρα αθροιστικά στη μακροβιότητα των διαγονιδιακών ατόμων, εμπλέκοντας την ελάττωση της έκφρασής του στον υπεύθυνο μηχανισμό. Τα δεδομένα αυτά, σε συνδυασμό με την παρατήρηση ότι τα επίπεδα έκφρασης του lin-14 αυξάνονται κατά τη γήρανση, σκιαγραφούν ένα μοντέλο σύμφωνα με το οποίο η υπερέκφραση του dcap-1 στο νευρικό σύστημα οδηγεί σε αποτελεσματικότερη αποσιώπηση του γονιδίου lin-14, και πιθανώς επιπλέον γονιδίων που αποτελούν στόχους miRNA, προκαλώντας άμεσα ή έμμεσα την τροποποίηση των επιπέδων έκφρασης ινσουλινόμορφων πεπτιδίων. Τα πεπτίδια αυτά με τη σειρά τους επηρεάζουν τη λειτουργία του μονοπατιού της ινσουλίνης σε άλλα κύτταρα, επάγοντας συστημικά τη μακροβιότητα. Συνολικά, τα αποτελέσματα τις παρούσας διατριβής αποκαλύπτουν τη βαρύνουσα σημασία της επαρκούς αποικοδόμησης των μετάγραφων κατά την επαγόμενη από miRNA αποσιώπηση γονιδίων, ενώ παράλληλα εμβαθύνουν τη γνώση μας σχετικά με τη συμβολή του ενζύμου αφαίρεσης της καλύπτρας στη ρύθμιση πολύπλοκων βιολογικών διεργασιών, όπως η ανάπτυξη και η γήρανση.