Tvorba brezmembranskih celičnih kondenzatov s pomočjo RNA
Oznaka in naziv projekta
J1-60002 Tvorba brezmembranskih celičnih kondenzatov s pomočjo RNA
J1-60002 RNA-mediated formation of membraneless cellular condensates
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Anže Rapoš Božič
Raziskovalec: dr. Stephane Jedele
Raziskovalec: dr. Simon Čopar
Raziskovalec: dr. Matej Kanduč
Mladi raziskovalec: Domen Vaupotič
Mlada raziskovalka: Veronika Bukina
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Biomolekularna kondenzacija je osnovni mehanizem, ki ga žive celice uporabljajo za organiziranje biomolekul v času in prostoru. Pripelje lahko do nastanka različnih brezmembranskih kondenzatov, ki celicam omogočajo izvajanje različnih biokemijskih procesov, vključno s transkripcijo, cepitvijo RNA in translacijo, v nadzorovanih lokalnih okoljih. Nedavne raziskave so pokazale, da lahko nekatere molekule RNA sprožijo fazno ločitev na prostorsko in časovno reguliran način, kar omogoča lokalni in prehodni nadzor procesov v celičnem jedru, in lahko služijo kot ogrodje za biomolekularne kondenzate ter določajo njihovo obliko in delovanje. Te RNA so bile poimenovane arhitekturne RNA (arcRNA) in predstavljajo arhitekturne sestavine submikronskih brezmembranskih celičnih kondenzatov, ki so sestavljeni iz posebnih sklopov beljakovin in nukleinskih kislin. Primeri znanih arcRNA so lncRNA NEAT1 v paraspeklu sesalcev, lncRNA IGS v nukleolarnem zadrževalnem centru, Hsr omega v speklu omega in MeiRNA v Mei2 točki.
Kondenzati, ki nastanejo s pomočjo arcRNA, so raznoliki in kompleksni ter vključujejo interakcije med številnimi RNA in beljakovinami. Vendar pa je malo znanega o tem, katere interakcije RNA-RNA, RNA-protein in protein-protein so bistvene za njihov nastanek. Medtem ko je pomen brezmembranskih celičnih kondenzatov, osnovanih okrog arcRNA, vse bolj prepoznan, ostaja osrednje vprašanje projekta — katere interakcije, ki jih posredujeta zaporedje in struktura arcRNA, so ključne za nastanek brezmembranskih celičnih kondenzatov — še vedno odprt in pomemben izziv. Glede na kompleksnost in raznolikost celičnih kondenzatov, ki jih posredujejo arcRNA, je razvoj našega znanja o tem, katere interakcije so bistvene za njihov nastanek in posledične fizikalne lastnosti, ključnega pomena.
Glavni cilj projekta je razjasniti organizacijska načela za tvorbo brezmembranskih celičnih kondenzatov s pomočjo arcRNA, ter odkriti bistvene interakcije in lastnosti zaporedja in strukture arcRNA, ki so pri tem udeležene. Pri tem bo projekt obravnaval vprašanja, ali in kako večvalentne interakcije med samimi molekulami RNA vodijo do nastanka lokusov RNA in katere lastnosti arcRNA določajo velikost, obliko in sestavo kondenzatov RNA. Raziskave v okviru projekta bodo vključevale kombinacijo teoretičnih modelov faznega ločevanja, grobozrnatih simulacij kondenzacije RNA, ki bodo vključujevale interakcije RNA-RNA in RNA-protein na različnih ravneh, ter bioinformacijske analize podatkov zaporedij znanih in domnevnih arcRNA.
Predlagana raziskava bo razširila sedanje znanje o kondenzatih RNA tako, da bomo tekom nje z upoštevanjem interakcije med zaporedjem in strukturo RNA opisali različne poti, po katerih lahko nastanejo kondenzati, osnovani okrog arcRNA. Modeli in teorija, razviti v okviru projekta, bodo imeli širok pomen, ki bo segal preko neposredne teme tvorbe brezmembranskih celičnih kondenzatov s pomočjo arcRNA. Predlagano je bilo na primer, da so podobni kondenzacijski mehanizmi gonilna sila tudi pri sestavljanju nukleokapsid v virusih (vključno s SARS-CoV-2), pri abnormalnih jedrnih in citoplazemskih telesih, zgrajenih na z boleznijo povezanih s ponovitvmami razširjenih mRNA, in pri oblikovanju kromatina. Poleg tega so številni fiziološki in bolezenski procesi povezani z biomolekularnimi kondenzati, zato lahko razumevanje njihovega nastanka in zmožnost prekinitve le-tega vpliva na odkrivanje zdravil na več načinov. Rezultati projekta se bodo dobro povezali tudi z nedavnimi poskusi, ki so pokazali, da je mogoče oblikovati kondenzate RNA v celicah z minimalnimi sestavinami, kar odpira možnost eksperimentalnega preverjanja minimalnih modelov kondenzatov RNA s preučevanjem vpliva posameznih sestavin na ločevanje faz.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza: Minimalni model tvorbe kondenzatov s pomočjo RNA. (V teku)
Prvi korak projekta bo oblikovanje minimalnega modela tvorbe kondenzatov s pomočjo RNA, da bi razčlenili mehanizme, s katerimi RNA vpliva na kondenzate. Z razvitim minimalnim modelom bomo razjasnili bistvene lastnosti zaporedja in strukture RNA, ki so potrebne, da lahko deluje kot arcRNA in organizira nastanek brezmembranskih celičnih kondenzatov RNA. To bomo dosegli predvsem z računskimi simulacijami kondenzacije RNA, ki jih bomo podprli z bioinformatično analizo zaporedij in struktur znanih arcRNA. Poleg tega bomo preučili vpliv razvejanosti RNA na nastanek kondenzatov z razširitvijo Flory-Hugginsove teorije faznega ločevanja. V prvi fazi bomo razvili minimalni model uporabili tudi za preučevanje tega, katere komponente so potrebne za nastanek kondenzatov s posredovanjem RNA, pri čemer bomo na primer raziskali, kdaj za nastanek kondenzata zadostujejo zgolj molekule RNA in kdaj je za nastanek RNA kondenzatov potrebna ena ali celo več vrst beljakovin.
2. Faza: Interakcije RNA-RNA in RNA-protein, ki so vključene v kondenzacijo RNA. (V teku)
Drugi korak projekta bo preučiti, kdaj in kako različne vrste interakcij RNA-RNA in RNA-protein vodijo do nastanka brezmembranskih celičnih kondenzatov, organiziranih okrog arcRNA. Ta cilj bo nadgradil model razvit v prvi fazi z uvedbo različnih vrst interakcij RNA-RNA in RNA-protein v simulacije za preučevanje njihovega vpliva na nastanek RNA kondenzatov. Pri določanju narave vključenih interakcij — na primer interakcij, ki jih posredujejo neurejene regije v RNA in beljakovinah, ali elektrostatičnih interakcij — bo ponovno pomagala bioinformatična analiza različnih arcRNA in beljakovin, za katere je znano, da so del njihovih kondenzatov. V okviru tega cilja bomo ugotovitve iz računskih modelov in bioinformacijske analize uporabili tudi za razvoj teoretičnih modelov tvorbe RNA kondenzatov. Cilj kombiniranih raziskav v okviru druge faze bo odkriti, ali obstajajo različne možne poti za nastanek RNA kondenzatov in kakšne so njihove lastnosti, kot so velikost, oblika in sestava.
3. Faza: Odkritje novih RNA, ki delujejo kot arcRNA. (V teku)
V zadnjem koraku projekta bomo znanje, pridobljeno z delom na prvih dveh fazah, o tem, katere lastnosti zaporedja in strukture arcRNA spodbujajo tvorbo kondenzatov, uporabili za analizo velikih bioloških podatkovnih baz zaporedij lncRNA, da bi poiskali nove kandidate za RNA, ki bi lahko delovali na podoben način in potencialno tvorili kondenzate RNA. Podobno analizo bomo opravili tudi v podatkovnih bazah beljakovin, da bi poiskali potencialne interakcijske tarče teh RNA. Kot rezultat raziskave tega cilja bomo pridobili nabor podatkov o domnevnih arcRNA in njihovih beljakovinskih tarčah, ki jih bomo lahko uporabili pri načrtovanju poskusov za testiranje teh napovedi.