Harvard brengt 30.000 chimere mRNA’s in kaart die nieuwe eiwitten kunnen maken

De gebruikelijke voorstelling dat één gen één eiwit oplevert, was altijd al een versimpeling. Maar nieuw onderzoek van Harvard Medical School voegt daar een opvallende laag aan toe: cellen kunnen RNA-boodschappers samenstellen uit delen van verschillende genen, soms zelfs van genen op afzonderlijke chromosomen.

Met directe lang-read RNA-sequencing maakten de onderzoekers een catalogus van meer dan 30.000 kandidaat-chimere mRNA’s in macrofagen van muizen en mensen. Minstens één van die RNA-moleculen bleek bovendien een biologisch actief eiwit te kunnen maken.613

Wat is een chimeer mRNA?

Een chimeer mRNA bevat sequenties van twee verschillende ‘oudergenen’. In deze studie verbonden sommige overgangen genen die op verschillende chromosomen liggen. Zulke RNA-moleculen kunnen buiten beeld blijven in standaardgenannotaties, die genen doorgaans afzonderlijk beschrijven.

Belangrijk is wel de nuance: de catalogus bevat chimere mRNA’s die minstens één keer zijn waargenomen. Dat betekent niet dat elk van de ruim 30.000 exemplaren veel voorkomt, stabiel is, wordt vertaald naar een eiwit of een biologische functie heeft.6

Een RNA-signaal vinden is dus het begin van de ontdekking, niet het eindbewijs voor een nieuw functioneel eiwit.

Waarom deze sequencingmethode zoveel uitmaakt

Bij veel conventionele RNA-sequencing wordt een RNA-transcript gereconstrueerd uit grote aantallen korte fragmenten. Daardoor is het lastig om met zekerheid vast te stellen dat een verbinding tussen twee ver uit elkaar gelegen genen werkelijk in één oorspronkelijk RNA-molecuul voorkwam.

Het Harvard-team gebruikte Nanopore direct RNA sequencing met lange reads: daarbij worden afzonderlijke, natuurlijke RNA-moleculen over lange trajecten uitgelezen. Zo konden de onderzoekers overgangen van het ene gen naar het andere rechtstreeks zien en hun catalogus van chimere RNA’s in macrofagen opbouwen.613

Vervolgens controleerden zij de vondsten met onafhankelijke, op de overgangen gerichte technieken: Illumina-short-readanalyses, NanoString-probes voor specifieke verbindingen en PCR met Sanger-sequencing. Die aanvullende controles zijn bedoeld om de kans te verkleinen dat de vermeende fusies artefacten van sequencing of monstervoorbereiding zijn.13

Mogelijke verklaring: trans-splicing van RNA

De resultaten passen bij trans-splicing: een vorm van RNA-verwerking waarbij exonen van twee afzonderlijke voorlopermoleculen worden samengevoegd tot één rijp RNA. Dat verschilt van gewone, of cis-, splicing, waarbij intronen worden verwijderd en exonen binnen hetzelfde voorlopermolecuul aan elkaar worden gekoppeld. Trans-splicing kan niet-lineaire, chimere RNA’s en soms nieuwe eiwitten opleveren.41

De onderzoekers gebruikten ook in-situ-Hi-C, een techniek die contacten tussen stukken chromosomen in kaart brengt. Daarmee onderzochten ze of ontsteking contacten tussen de gebieden van de oudergenen van chimere RNA’s uitlokt. Dat helpt om een verklaring via RNA-verwerking te toetsen, in plaats van elke fusie meteen als een permanente verandering in het DNA te beschouwen.13

Eén chimeer bleek een functioneel eiwit te maken

Het sterkste bewijs komt van een geselecteerd chimeer dat GSDMD koppelt aan sequentie afkomstig van TMEM106A. Eerder onderzoek liet zien dat gasdermine D een cruciale porievormer is bij pyroptose, een ontstekingsvorm van celdood. Ontstekingscaspasen maken daarbij een N-terminaal fragment van GSDMD vrij; dat klontert samen in membranen en vormt poriën.1

Voor het GSDMD–TMEM106A-chimeer voerden de onderzoekers experimenten uit waarbij zij de activiteit verhoogden of uitschakelden. Daarbij gebruikten ze onder meer toediening van mRNA in lipidenanodeeltjes, siRNA, CRISPR-knock-in- en stopallelen, plus biochemische, beeldvormende en celvrije proeven. Hun resultaten koppelden het fusie-eiwit aan aangeboren immuunreacties, de controle van Salmonella door macrofagen, overleving in sepsismodellen en pyroptose.13

Die functionele validatie is essentieel: hiermee gaat het niet slechts om een ongebruikelijke RNA-verbinding, maar is er bewijs dat ten minste één chimeer transcript een eiwit met fysiologische gevolgen kan opleveren.

Wat dit betekent voor het idee ‘één gen, één eiwit’

De circa 20.000 eiwitcoderende menselijke genen stonden nooit één-op-één gelijk aan evenveel eiwitten. Alternatieve splicing maakt het bijvoorbeeld al mogelijk dat één gen meerdere RNA- en eiwitvarianten produceert. Deze bevindingen trekken dat idee verder door: in bepaalde omstandigheden kan eiwitcoderende informatie mogelijk uit afzonderlijke genen worden samengesteld.6

Dat vervangt het gangbare genmodel niet. Het wijst wel op een mogelijk grote, van celtype en omstandigheden afhankelijke verzameling RNA-producten die standaardannotaties missen. Van het merendeel van de ruim 30.000 vermeldingen moet nog worden vastgesteld of het RNA stabiel is, of het wordt vertaald en of het resulterende eiwit een functie heeft.613

Mogelijke betekenis voor geneesmiddelenonderzoek

Een chimeer RNA of eiwit kan specifiek zijn voor een bepaald celtype, een ontstekingstoestand of een ziektecontext. Als dat wordt bevestigd, kan de unieke RNA-overgang of eiwitsequentie een selectiever aangrijpingspunt vormen dan het remmen van een van beide oudergenen.

Mogelijke onderzoekslijnen zijn:

• Ontstekingsziekten: Chimeren in routes rond GSDMD kunnen mogelijk aanwijzingen geven om pyroptose gerichter te beïnvloeden. Gasderminen gelden al als interessante therapeutische doelwitten, omdat zij ontstekingsgedreven membraanpermeabilisatie en celdood veroorzaken.20
• Kanker: Chimere transcripten die beperkt zijn tot ziek weefsel zouden in principe nieuwe antigenen, biomarkers of moleculaire kwetsbaarheden kunnen onthullen. Voor deze specifieke catalogus is dat nog een hypothese, geen bewezen behandelstrategie.
• Neurodegeneratieve ziekten: Pyroptose via gasderminen wordt ook onderzocht in de context van neurodegeneratie. Het opsporen van chimere RNA’s kan daarom mogelijk onbekende ontstekingsmechanismen of biomarkers zichtbaar maken in relevante celtoestanden.20

De directe opbrengst is vooral een nieuw ontdekkingskader, geen kant-en-klare geneesmiddelenpijplijn. Elk kandidaat-chimeer moet afzonderlijk worden bevestigd wat betreft RNA-structuur, eiwitproductie, biologische functie, ziekterelevantie en veiligheid als therapeutisch doelwit.613