Živo bitje, pa naj bo to nekajcentimetrska miš ali pettonski slon, se začne v svetu digitalnega. Zapisano je v vijačni molekuli deoksiribonukleinske kisline, prastare knjižnice življenja, kjer so vse potrebne notranje informacije za razvoj in delovanje bitja. Organizirane so v sklope oziroma gene. A teh je v človeku nekaj čez 20.000, kar ni veliko več od kakšnega preprostega enoceličarja. Kako lahko torej iz skoraj enako obsežnega zapisa nastane neprimerljivo kompleksnejši, razvitejši in večji produkt od enocelične amebe?

Prevajalnik med digitalnim in organskim
Če je človeški genom (sklop vseh genov ali dednina) statični trdi disk človeštva, potem mora obstajati neke vrste procesor, ki na njem zbrane informacije obdela. Akter, ki je sposoben odzivanja na dogajanje tako v celici kot v telesu ter ob pravem času prebrati pravi kos DNK. Še več, ki ga je sposoben na molekularni ravni interpretirati, ga prevesti iz digitalnega zapisa v organski, neprimerno kompleksnejši svet molekul. Ta poglavitni procesor so beljakovine, ki omogočajo dinamično interpretiranje genoma in prepisovanje informacije v ribonukleinsko kislino oziroma RNK. S tovrstnimi molekulami se že dolgo ukvarja laboratorij Jerneja Uleta, ki deluje znotraj Instituta za nevrobiologijo na University College London.

Ule je odmevnost v svetu znanosti dosegel že pred več kot desetimi leti s prvimi objavami v Science in Nature. Na temelju njegovih raziskav je nastala tudi sveža objava v tej reviji. Pri njej je vrste strnilo več Slovencev z različnih koncev sveta, je za MMC pojasnil soavtor, Tomaž Curk iz Laboratorija za bioinformatiko na ljubljanski Fakulteti za računalništvo in informatiko (FRI).

Več kot štiri leta so proučevali dogajanje v možganskih celicah ter analizirali izide. Dokazali so obstoj enega izmed mehanizmov prevajanja informacij DNK v molekule beljakovin tudi pri človeku: rekurzivno izrezovanje intronov. "Mehanizem je bil že prej opažen tudi pri drugih organizmih, mi pa smo to pokazali pri človeku, in to kot prvi na ravni celotnega genoma," je pojasnil Curk.

Introni in eksoni kot "filmski material"
DNK je veriga, kjer vsakega izmed štirih tipov informacije predstavlja ena dušikova baza - adenin, citozin, gvanin in timin - torej gre za nekakšen štiriški zapis. Del na verigi DNK-ja, ki je smiselno namenjen eni izmed bioloških funkcij, se imenuje gen. Gen se deli na izseke: eksone in introne. Eksoni so tisti izseki, ki povedo, kakšna beljakovina bo na koncu procesa nastala. Introne so po drugi strani dolgo imenovali odpadni DNK, saj strukture končnih produktov neposredno ne definirajo, kaj zares počnejo, pa biologi lep čas niso vedeli. Danes je znano, da imajo pomembno uravnalno vlogo. Določajo trajanje in zaporedje procesov uravnavanja izražanja genov.

Ko torej RNK odčita določen gen, odčita tudi introne. Ker so ti dolgoročno odveč oziroma ne smejo sodelovati pri končnem kodiranju beljakovine, jih mora celica z RNK-ja prej ali slej izrezati. Gene lahko torej primerjamo s surovimi filmskimi posnetki. Celica jih mora pregledati in iz njih izrezati le tiste posnetke, ki bodo končali v filmu, druge pa zavreči. "Možgani so očitno zelo zahteven režiser, ki za svoj celovečerec potrebuje izjemno velike količine surovih posnetkov in posebne urejevalne mehanizme, kot je rekurzivno izrezovanje," je izjavil Ule.

In zakaj rekurzivno? Z informacijske molekule RNK-ja se navadno ne more odstraniti vseh intronov naenkrat. Proces mora potekati po korakih, se ponavljati. "To dolgo zaporedje se izreže postopoma, po manjših koščkih. Vsakič se konca molekule spet deneta skupaj, in izrezovanje se ponavlja rekurzivno, dokler ni izrezan celoten intron," je pojasnil Curk.

Izrednosti kot priložnost in past
Proces je lahko zelo dolg in zelo kompleksen. In kjer se dogaja veliko stvari, lahko gre tudi veliko stvari narobe. Včasih izrežejo napačne kose. Lahko se tudi kakšen neveljaven košček introna (kriptičen ekson) izmuzne in konča v končnem zapisu, kar pomeni drugačno strukturo izgotovljene beljakovine. Vse skupaj je kot kockanje: možnost za slab, celici ter telesu škodljiv izid je pri takšnih skokih v neznano realna. Posledica proizvodnje napačnih molekul je lahko pomanjkanje potrebnih; nenavadne beljakovine pa bi lahko tudi pripeljale do bolezni ali okvar.

Včasih kakšen kockar tudi zmaga in takšne mutacije lahko pripeljejo do pozitivnega razvoja telesa. To je sestavljeno iz stotin različnih tkiv, ki vsako zahteva svojo kompozicijo proteinov, in ni izključeno, da so posledica napačno prepisanih informacij. "To daje možnost evoluciji. Morda se bo pojavil kak nov ekson, spremenil strukturo določenega proteina in omogočil večjo kompleksnost. Morda bo z njim prišlo še učinkovitejše procesiranje informacij, morda kaj drugega. Evolucija pač nima nekega cilja razen tega, da se prilagaja trenutnim razmeram," je povedal Curk.

Dolgi introni v korist vretenčarjem
Raziskovalna skupina se ukvarja z nevrobiologijo in tudi pri tem podvigu se je osredinila na možganske celice. Konkretno, na tiste gene, ki so še posebej dolgi in vsebujejo izjemno dolga zaporedja intronov. Ne brez razloga: omogočajo kompleksne možganske funkcije, ne nazadnje samo mišljenje in učenje, pravijo v Uletovem laboratoriju. Če ti dolgi geni zatajijo, so posledice za osebo lahko težke: od avtizma do drugih nevrodegenerativnih bolezni. Prav ti dolgi introni zahtevajo stotine izvedenih korakov, med katerimi se lahko pojavi kakšen nov ekson, so ugotovili v raziskavi. Celični ustroj včasih težko razlikuje med pravimi eksoni in zaporedji, ki so eksonom le podobna.

Dolgi introni so z vidika evolucije torej lahko koristni, saj povečajo pogostost zakritega izrezovanja, s tem pa omogočajo razvojno brkljanje, ki je najbrž pripomoglo k izredno hitremu napredku možganov vretenčarjev.

Na drugem koncu pa ostaja rekurzivno izrezovanje kot vratar, ki preprečuje (prevelika) odstopanja. Zaporedja v RNK-ju, ki ukažejo začetek rekurzivnega izrezovanja, se navadno začnejo v eksonu. Tega celica seveda kasneje odstrani in torej postane "neviden". Če pa proces še pred rekurzivnim predvideva kakšno drugo vrsto izrezovanja, pa se ta konkreten ekson ne odstrani. S tem zagotavlja neke vrste stikalo, ki preprečuje "mešetarjenje" z glavnim mRNK proizvodom, je pojasnil Ule.

"V članku poročamo, da precej tistih genov, ki so povezani z razvojem živčevja in nevronov, vsebuje ravno te dolge introne," pa je razložil Curk.

Leta preračunavanj
Raziskavo so izvedli na posthumno darovanih tkivih možganov. V celične procese je sicer izjemno težko vpogledati, a Uletova skupina se je lahko zanesla na metodo iCLIP. Razvili so jo s pomočjo ljubljanskih sodelavcev in tudi ta dosežek je bil leta 2010 objavljen v znanstveni publikaciji Nature Molecular and Structural Biology. To je t. i. visokopropustno sekvenciranje nove generacije, ki jim je omogočilo posnetek interakcij med proteini in vsemi molekulami RNK, ki so bile v danem trenutku v celici. Ker raziskave na področju molekularne biologije potekajo že dolgo, obstajajo precej obsežni katalogi možnih stanj te tvarine. Mimogrede, eden takšnih mednarodnih katalogov, Encode Project, se trenutno odloča, ali naj iCLIP vključi med lastne referenčne metode.

Raziskovalna skupina je najdeno primerjala z vsebino katalogov in našla precej vmesnih oblik RNK-ja, ki niso spadale nikamor. Prvič so te nenavadnosti razbrali leta 2011, je pojasnil Curk, in takrat se je delo šele zares začelo. Predvsem računalniško. Tomaž Curk deluje v Laboratoriju za bioinformatiko, predtem pa se je ukvarjal z umetno inteligenco. Tedanje ukvarjanje z ogromnimi količinami podatkov je prišlo prav še posebej v tem primeru, saj že en sama meritev prinese nekaj gigabajtov podatkov, in zelo hitro se jih nabere tudi sto. Že pri enem samem testu namreč lahko identificirajo nekaj 100.000 lokacij v celici, kjer se dogajajo interakcije med RNK-jem in proteini, ter več deset milijonov primerov samih interakcij. "Ročna" analiza te mase bi bila zelo dolgotrajna in zelo draga, zato so v Ljubljani razvili računalniško orodje iCount, ki iz nepregledne množice pomaga luščiti vzorce.

Sodelovanje Slovencev po različnih državah
"Danes je zelo težko narediti prebojne znanstvene rezultate brez mase podatkov," je povedal bioinformatik Curk. Tako so kar dodatna štiri leta potrebovali, da so se prebili skoznje. In ne le to: da so jih lahko dovolj replicirali ter potrdili, da je raziskavo v svoje drobovje vzela revija Nature. Pri tem je sodelovalo še nekaj Slovencev. V londonskem laboratoriju je kot "lokalni" bioinformatik deloval Nejc Haberman, iz Münchna je pri validaciji pomagal Miha Modic, že omenjeni Curk pa iz Ljubljane.

Sodelovanje med Ljubljano in Londonom je zdaj že dolgoročno, saj poteka od leta 2008, in ves čas se vanj poskuša vključiti še kakšnega Slovenca, je izpostavil Curk. Poudaril pa je, da je takšno sodelovanje - vsaj na sončni strani Alp - mogoče le zato, ker je Javna agencija za raziskovalno dejavnost (ARRS) zagotovila večletno financiranje za projekt. Posttranskripcijske regulacijske mreže v nevrodegenerativnih boleznih ima zagotovljena sredstva do naslednjega poletja, in brez tega pač imen ljubljanskih raziskovalcev pod svežo objavo v Nature pač ne bi bilo. "Ta študija je zahtevala štiri leta bolj ali manj neprestanega dela. Če imaš enoletno financiranje - ali pa, če ga sploh nimaš - si tega pač ne moreš privoščiti. Lepo je, da je Slovenija zraven pri takšnih dosežkih," je povedal Curk.

Genom, terra incognita
Čeprav je človeštvo zmožno zaznavati delce, ki so nepredstavljivo manjši, dogajanje v celicah lastnih teles še vedno spada v sfero skrivnostnosti. Težko mu je slediti, kaj šele opravljati raziskave na živih tkivih (še posebej, če gre za človeške možganske celice). In ko pridemo do same molekule DNK, je to še vedno velika terra incognita (neznana zemlja) za znanost. "Za zdaj zelo na približno vemo, kakšna je funkcija posameznega gena. Ampak to so le majhni koščki ogromne sestavljanke, ki jo počasi a vztrajno sestavljamo," je pojasnil Curk.

Človeštvo po eni strani z izjemnim naporom začenja tipati, kaj se dogaja nepredstavljivo daleč, a nič manjša niso prizadevanja za ugotovitev, kaj se skriva v nas samih. Kot je pred časom dejal znani slovenski znanstvenik Anton Mavretič: študija biologije bi morala biti v prihodnosti najbolj zanimiva - da bo človek sploh vedel, kaj je - na molekularni ravni. "Mi tudi sami o sebi vemo še zelo malo. Premalo."