RNA:ta sitovista proteiineista uusia lääkekohteita

Itä-Suomen yliopiston farmasian laitoksen lääketutkijan Piia Bartoksen kiinnostuksen kohteena on RNA, RNA:ta sitovat proteiinit ja miten tähän järjestelmään vaikuttamalla voisi estää syövän kasvua. RNA:ta ja siihen sitoutuvan argonautti- proteiinin toimintaa hän on tutkinut massiivisilla simulaatioilla.

Molekyylidynamiikan simulaatiot ovat antaneet tietoa, miten biomolekyylit vuorovaikuttavat toisiinsa atomien tasolla. Koska atomit ovat jatkuvassa liikkeessä, niiden väliset voimat lasketaan ja tämän perusteella selvitetään esimerkiksi proteiinin atomien uudet sijainnit, nopeudet ja energiat.  Näin saadaan uutta tietoa lääkeainesuunnitteluun.

Bartos on tutkinut RNA:han sitoutuvia proteiineja (RBP-proteiinit), joilla voi olla merkitystä syövän hoitamisessa. Niillä on havaittu olevan merkitystä syöpäsoluille etenkin lääkevasteissa ja lääkeresistenssin muodostumisessa. Yli 1500 RBP-proteiinia on löydetty. Muutoksen näiden proteiinien toiminnassa voivat vaikuttaa syöpägeenien ilmentymisen tasoon.

RNA-häirintä (RNA-interferenssi eli RNAi) on biokemiallinen mekanismi, jossa RNA aiheuttaa lähetti-RNA:n pilkkoutumisen solussa, jolloin geenin ilmentyminen häiriintyy. RNAi:n löytäneet tutkijat Andrew Fire ja Craig Mello saivat työstään lääketieteen Nobelin palkinnon vuonna 2006. RNAi:n avulla voidaan sammuttaa syövän kasvua edistävien proteiinien ilmentyminen.

”Erityisenä kiinnostuksen kohteenamme ovat argonauttiproteiinit, joilla on tärkeä rooli RNA-välitteisessä geenien hiljentämisessä eli RNA-häirinnässä. Näistä tärkeimpänä on Ago2,”sanoo Bartos.

Kun RNA on sitoutunut Ago2-proteiiniin, tätä yhdistelmää kutsutaan RNA-Ago2-kompleksiksi. Argonautti 2-proteiini sitoo mikro-RNA -molekyylejä soluissa.

”Koska argonautti-2 on solun toiminnalle elintärkeä proteiini, se todennäköisesti vaikuttaa kaikkiin syöpätyyppeihin. Jos se poistetaan soluista, solut eivät pysy elossa. Jos sen toiminta pystyttäisiin poistamaan syöpäsoluissa, syöpäsolutkaan eivät pysyisi elossa. Näin voitaisiin estää syöpäsolujen kasvaminen ja leviäminen.”

Proteiinin rakenteen simulaation avulla etsitään täsmälääkkeitä

Haasteena on, että RNA-Ago2-kompleksissa voi olla sitoutuneena kahdenlaisia RNA-molekyylejä. Ensimmäinen estää, mutta toinen lisää proteiinin tuotantoa. Jälkimmäisessä tapauksessa syöpäsolujen tuotanto voikin lisääntyä.

”Simuloin RNA:n toimintaa erikseen ja yhdessä Ago-2-proteiinin kanssa. Olen pyrkinyt selittämään, miten Ago-2- kompleksit eroavat rakenteellisesta toisistaan, siis silloin kun siinä on sellainen RNA, joka lisää proteiinin tuotantoa ja silloin kun siinä on proteiinin tuotantoa vähentävä RNA. Olemme vasta saaneet simulaatiot ajettua ja nyt tuloksia analysoidaan.”

Molekyylidynamiikkasimulaation avulla voidaan tehdä eräänlaisia videoita Ago2-RNA-kompleksien liikkeistä ja vertailla aktivoivien ja hiljentävien kompleksien eroja.

Simulaatiossa käytetty RNA-sekvenssidata saatiin A.I Virtanen-instituutista. Simulaatioissa oli kuusi RNA-molekyyliä, joista kolme lisäsi ja kolme vähensi proteiinien tuotantoa. Näille kaikille tehtiin molekyylidynamiikan simulaatioita noin 50 mikrosekuntia eli sekunnin miljoonasosa systeemiä kohden. Simulaatioissa tarvittiin paljon Suomen ELIXIR-keskuksen CSC:n laskentaresursseja.

”Se on aika iso proteiini. Yhdessä RNA:n ja ympäröivän veden kanssa siinä on noin 300 000 atomia, ja niille kaikille piti laskea nopeus ja paikka neljän femtosekunnin välein.”

Femtosekunti on miljoonasosa sekunnin miljardisosasta. Bartos haluaa selvittää, muuttuuko kompleksin muoto ja liikkuuko joku proteiinin osa eri tavalla, kun siinä on lisäävä tai vähentävä RNA sitoutuneena.

”Kompleksin muodon muuttuminen voi todennäköisesti indikoida sitä, että kompleksi sitoutuu eri proteiineihin.”

Kompleksien rakenteissa tai liikkeissä täytyy siis olla jokin ero, joka saa aikaan erilaiset geenien ilmentymistä lisäävät ja vähentävät vaikutukset.

Ymmärtämällä geenien ilmentymistä vähentävien ja lisäävien RNA-proteiinikompleksien rakenteelliset erot, pystytään suunnittelemaan ja etsimään lääkeaineita, jotka sitoutuvat vain haluttuun kompleksiin. Bartosin mukaan tällaiset lääkeaineet olisivat lääketieteellinen läpimurto ja tarjoaisivat uuden mahdollisuuden hoitaa syöpäsairauksia, joissa proteiinien tuotanto on häiriintynyt.

”RNA-häirintään perustuvat lääkkeet ovat hyvä vaihtoehto. Nämä lääkkeet verrattuna tavalliseen pienimolekyyliseen syöpälääkkeeseen voisivat olla spesifisempiä ja tarkemmin syöpäsoluun kohdentuvia. RNA-häirinnällä pystyisimme tarvittaessa estää minkä tahansa haluamamme proteiinin ilmentymisen syövässä. Eli siitä saisi täsmälääkkeitä.”

Bartosin mukaan RNA:n toiminnan mallintaminen on kuitenkin vielä haasteellista. Simulaatioissa voimakenttämallit toimivat hyvin proteiineille, mutta eivät RNA:lle.

”Se johtuu siitä, että se RNA on kemiallisesti ja fysikaalisesti aika erilainen kuin proteiinit.”

Ongelma on esimeriksi fosfaatti, joka muodostaa RNA:n rangan yhdessä deoksiriboosin kanssa.

”RNA:n fosfaatti on sähköisesti varautunut ja sitä nämä nykyiset voimakenttäyhtälöt eivät kovin hyvin pysty mallintamaan. Eli tässä on selkeästi työsarkaa työkalujen kehittämisessä.”

Lääkeainesuunnittelu etenee suurin harppauksin monella tasolla. DeepMindin tekoäly Alphafold osaa jo ratkaista, miten sekvenssi muuttuu proteiinirakenteeksi. Se käyttää tunnettuja proteiinirakenteita ja ennustaa rakenteen kaikille tunnetuille proteiineille.  Sekvensoinnin avulla voidaan puolestaan selvittää syövässä esiintyvät mutaatiot ja mallien avulla tutkia, miten mutaatiot vaikuttavat syöpälääkkeiden toimintaan.

”Mutaatio voi esimerkiksi estää syöpälääkkeen sitoutumisen kohdeproteiiniin lääkevaikutuskohteeseen, jolloin kyseisestä lääkityksestä harvoin on potilaalle hyötyä.”

Laskentakapasiteetin kasvaessa voidaan tulevaisuudessa myös simuloida isompia kokonaisuuksia.

”Olisi hienoa simuloida yksittäistä proteiinia isompaa yksikköä, esimerkiksi solutasolla. Voitaisiin simuloida, miten proteiini vaikuttaa muiden proteiinien, solukalvojen ja soluelinten kanssa.”

Ari Turunen

30.8.2024

Lue artikkeli PDF-muodossa