Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu prije koji dan dodijeljena je američkim znanstvenicima Victoru Ambrosu i Garyju Ravkunu za “otkriće mikroRNA i proučavanje njihove uloge u posttranskripcijskoj regulaciji ekspresije gena”. 

Radovi laureata, iako povezani s praktičnom medicinom - jer mnoge patologije mikroRNA često dovode do raka - odnose se na najfundamentalniju molekularnu biologiju. Ta znanost koja se neprestano mijenja pokušava dokučiti kako se točno “suhi” tekst DNK pretvara u ono što stalno vidimo oko sebe i što ne može ne zadiviti svojom složenošću: cvijeće, životinje ili rad ljudskog mozga.

Konrad Lorenz bio je član Hitlerove Naconalsocijalističke partije od 1938., bio je vojni liječnik Wehrmachta i nakon rata  sovjetski ratni zarobljenik. Austrijanac je međutim bio i izvanredan biolog, općepriznat kao “otac etologije”, znanosti o ponašanju životinja i dobitnik Nobelove nagrade 1973. godine, piše ruski nezavisni portal Meduza.

Imprinting - zašto su pačići slijedili znanstvenika Konrada Lorenza?

Na fotografiji Lorenz vodi leglo gusaka. Oko 1935. godine, promatrajući ponašanje tek izleženih pačića i guščića, znanstvenik je otkrio imprinting, genetski programirano ponašanje u kojem bilo koji živi - ili neživi, ​​ali pokretni - objekt, koji prvi privuče pozornost pačića, može zauvijek biti postavljen za njih u ulozi majke. I pačići će sigurno slijediti ovaj objekt.

To je ponašanje toliko neobično i istovremeno jednostavno da su nakon rata Lorenzove fotografije s brojnim leglima pataka i gusaka koje ga slijede posvuda tiskali su ne samo znanstveni časopisi, nego čak i Life.

Jedna od  fotografija poraženog vojnika Wemachta, ali fantastičnog biologa s brojnim leglima pataka i gusaka koje ga slijede posvuda, objavljena u izdanju Lifea iz 1955., ostavila je neizbrisiv dojam na mladog južnoafričkog liječnika Sydneya Brennera, sina židovskih imigranata iz Litve i Latvije.

No, doktorom se može zvati samo formalno. Nakon što je 1951. stekao diplomu prvostupnika medicine (ne iz prvog pokušaja), Brenner je već znao da se želi baviti fundamentalnom biologijom, a ne medicinskom praksom. Još prije diplome našao se među istraživačima koji će kasnije biti nazvani “Delbrückovom grupom” i koji će postaviti temelje molekularne biologije - otkrivajući strukturu DNK i prirodu genetskog koda, piše Meduza.

Zašto djeca liče na svoje roditelje?

Godine 1955., kada je Brenner sa stranica Lifea saznao za Lorenzove pokuse, već je nekoliko godina radio na Oxfordu i neposredno je vidio revoluciju u biologiji koju su Watson i Crick napravili utvrđujući molekularnu strukturu DNK. Sve se u tom trenutku okrenulo naglavačke: magloviti koncepti nedostižnih “gena” i “nasljedstva”, koje su do tada znanstvenici proučavali ne shvaćajući njihovu kemijsku prirodu, dobili su vrlo specifične obrise - spiralnu DNK, koja se može izolirati, osušiti i staviti u difrakcijski aparat. Odjednom su najteža pitanja iz biologije imala iznenađujuće jednostavne odgovore.

Zašto djeca liče na svoje roditelje? Jer prvi prenose svoj DNK na drugi - polimernu molekulu koja se sastoji od četiri građevna bloka. A u njihovom nizu su kodirane sve moguće informacije - otprilike kao u Morseovoj abecedi.

Odakle onda dolazi raznolikost koja evoluciju čini mogućom? DNK ima dva lanca, a kada jedan sintetizira drugi, pogreške su neizbježne, otuda i raznolikost. Osim toga, niti se mogu trgati i lijepiti u različitim kombinacijama.

Koji su to geni koje smo slijepo proučavali gotovo 100 godina? Samo dijelovi ove molekule, od kojih svaki kodira zaseban protein.

Cijelu okosnicu “Delbrück grupe” činili fizičari, a ne biolozi ili kemičari i drugi naziv ove skupine je "fag". Glavni predmet proučavanja bili su bakterijski virusi, odnosno bakteriofagi, najprimitivniji organizmi od svih koji se, barem s otegom, mogu nazvati “organizmom”. Naglasak je stavljen na proučavanje temelja života na primjeru takvih organizama, a pojašnjenje detalja povjerava sljedbenicima koji vole razumjeti detalje i iznimke.

U manje od 15 godina otkrivena je struktura DNK, određen genetski kod, formulirana “središnja dogma molekularne biologije” koja definira jednosmjerni princip prijenosa informacija od DNK do proteina preko RNK, i utvrđeni su mehanizmi tog prijenosa na molekularnoj razini.

Pokazalo se da su fagi prekrasan objekt za proučavanje, jednostavan, ali neiscrpan - gotovo poput Lenjinovog elektrona, piše Meduza. Međutim, imali su i temeljni nedostatak: fagi se uopće ne ponašaju, jednostavno prodiru u bakterije i razmnožavaju se unutra. Početkom 1960-ih, na valu prvih vrtoglavih uspjeha, to se nekima iz skupine “faga” već činilo kao nedostatak ambicije “novih biologa”, koji prije desetak godina nisu znali što su geni, a sad su požurili proučavati rad mozga, nešto najsloženije što se može proučavati. 

Crv manji od milimetra donio mu Nobela

Kad je mladi Sidney Brenner počeo tražiti nešto ambicioznije od rada s fagima, sjetio se fotografije u časopisu Life. Utiskivanje odnosno imprinting je obećavalo primjer postojanja ponašanja tako jednostavnog da njegovo svođenje na određeni "gen" ne bi trebalo biti previše komplicirano. U svojoj autobiografskoj knjizi Život u znanosti Brenner piše:

"Sjećam se fotografija Konrada Lorenza sa svojim patkama koje ga prate - i uvijek sam želio znati postoji li, da tako kažem, gen koji vam omogućuje da stavite lijevu nogu naprijed, nakon čega slijedi drugi gen koji kaže: "Jednom kada to učinite , stavi desnu nogu naprijed." Drugim riječima, postoje li [u organizmu] jedinice ponašanja i odgovaraju li one genetskom programu kao takvom?"

Srećom, Brenner nije odmah počeo proučavati ponašanje pataka, već je započeo potragu za najjednostavnijim organizmom koji bi mogao poslužiti kao model. Organizam je morao imati živčani sustav, ali u isto vrijeme biti što jednostavniji.

Budući da je Brenner bio zainteresiran za mikroskopiju i zoologiju, znao je da bi stanovnici tla - stvorenja poput rotifera ili valjkastih crva - bili idealni. To su punopravne višestanične životinje sa živčanim sustavom i nekom vrstom ponašanja. Štoviše, toliko su mali da su inferiorni čak i mnogim jednostaničnim amebama i cilijatima. Nakon testiranja nekoliko vrsta, Brenner se odlučio za  Caenorhabditis elegans, zemljanog crva manjeg od milimetra. 

Ispostavilo se da crv nije jednostavno, već vrlo jednostavno stvorenje: u njegovom cijelom odraslom tijelu znanstvenici su izbrojali točno 959 stanica, od kojih su 302 bile neurone, a još 56 bile su glijalne stanice  - dakle, živčani sustav skromnog crva je činio gotovo 40% njegova tijela. 

Još 1984. Brenner i njegovi koautori sastavili su prvu cjelovitu mapu veza između živčanih stanica, takozvani konektom živčanog sustava. Za usporedbu: sličan problem za Drosophilu, koji se ne čini puno kompliciranijim od crva, riješen je tek neki dan - u listopadu 2024. godine.

Pokazalo se da je C. elegans izuzetno uspješan modelni organizam za proučavanje ne samo živčanih stanica, već i embrionalnog razvoja životinja općenito. Uostalom, ako u cijelom organizmu postoji prebrojiv i uvijek isti broj stanica, onda nije tako teško nacrtati kartu sudbine svake od njih - i svesti cijeli embrionalni razvoj životinje doslovno na jednu. ne baš složen dijagram. A onda možete proučavati odstupanja od sheme, tražeći uzorke između gena i sudbine stanica.

Caenorhabditis elegans

Čitava industrija je izrasla iz proučavanja C. elegans . Crvu su posvećeni specijalizirani časopisi, o njemu je objavljeno više od 35 tisuća znanstvenih članaka (35 po ćeliji!). Nije iznenađujuće da  je Brenner dobio Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu—koju dijele s Johnom Sulstonom i Robertom Horwitzom - 2002. za svoj rad na C. elegans.

Ponovimo ukratko stanje znanosti u vrijeme otkrića Victora Ambrosa i Garyja Ravkuna, ovogodišnjih laureata. Do ranih 1960-ih postalo je jasno da je nositelj nasljednosti dvolančana molekula DNA, na temelju koje posebni proteini (RNA polimeraze) sintetiziraju vrlo sličnu, ali različitu nukleinsku kiselinu - RNA. Postoje različite vrste RNA, glavna za prijenos nasljednih informacija je glasnička RNA, to jest jednostavno kopija određenog dijela DNA. Ovo područje postalo je poznato kao genom. 

Ovogodišnji laureat Victor Ambros je u svom radu sredinom 1980-ih prvi pokazao da geni u kojima su se mutacije pojavile jasno međusobno djeluju. Oba su gena potrebna za normalan razvoj C. elegans , ali definitivno nisu isti gen - mutacije su smještene na različitim mjestima u genomu. Zajedno s Garyjem Ravkunom (prvo u jednom laboratoriju, zatim svatko u svom) započinju potragu za genima u kojima se greške manifestiraju kao mutacije lin-14 i lin-4. Sredinom 1980-ih to nije bilo lako učiniti, ali Ravkun je uspio utvrditi da lin-14 kodira određeni nuklearni protein, čija je koncentracija inače maksimalna u određenoj fazi razvoja crva.

Nevjerojatna stvar počinje kada se ispostavi da mutacija lin-14 nema nikakve veze sa sekvencom samog proteina. Odnosno, "mutirani" i "nemutirani" proteini potpuno su identični po prirodi, a mutacija nije promjena u sekvenci proteina, već promjena koncentracije njegove RNA i, sukladno tome, njegove aktivnosti.Paralelno, Ambros otkriva da mutacija lin-4 nema nikakve veze s proteinima.

Tajne mikroRNA

Trenutak istine dolazi kada Ambros i Ravkun otkriju da su sekvence DNK zahvaćene ovim dvjema različitim mutacijama u dva različita dijela genoma vrlo slične jedna drugoj. Nisu identični, već slični poput ruke i njezina otiska, odnosno međusobno se nadopunjuju. 

Eksperimenti koji su uslijedili nakon otkrića Ambrosea i Ravkuna pokazali su da su mikroRNA nastale vrlo davno i da su uobičajene u gotovo svim višestaničnim organizmima. Vjeruje se da se kod životinja takav sustav za regulaciju aktivnosti gena počeo razvijati u vrijeme nastanka bilateralno simetričnih životinja: kod crva, insekata, mekušaca i ljudi on aktivno radi, ali kod meduza, koralja i morskih anemona ne. Biljke imaju sličan regulacijski sustav; možda se njegov nastanak dogodio nekoliko puta neovisno tijekom evolucije.

Ako pogledate evolucijsko stablo i sakupite obitelji mikroRNA koje su zajedničke različitim životinjama, pronaći ćete nekoliko zajedničkih obitelji čak i između crva i ljudi. To znači da "apsurdni" regulacijski sustav nije iznimka; dovoljno je važan da se organizmi očuvaju u evoluciji čak ne milijunima, već milijardama godina.

Što su organizmi bliži jedan drugome, to će imati više zajedničkih obitelji mikroRNA. Na primjer, 87 obitelji je pronađeno (od 2014.) između ljudi i zebrica, a 153 između ljudi i miševa.