Μέχρι τώρα οι μοριακοί βιολόγοι πίστευαν ότι είχε σχεδόν ολοκληρωθεί η χαρτογράφηση των πρωτεϊνών του ανθρώπων. Τα βασικά γονίδια είχαν καταγραφεί, οι γνωστές πρωτεΐνες είχαν ταξινομηθεί και το ανθρώπινο γονιδίωμα θεωρούνταν σε μεγάλο βαθμό αποκωδικοποιημένο.
Τώρα μια νέα μελέτη που εμφανίζεται στο επιστημονικό περιοδικό Nature έρχεται να ‘ταράξει’ αυτή τη βεβαιότητα υποδεικνύοντας ότι μέσα στα κύτταρά μας υπάρχει ένας ολόκληρος αχαρτογράφητος κόσμος από χιλιάδες μικροσκοπικές πρωτεΐνες που μέχρι σήμερα περνούσαν απαρατήρητες.
«Για δεκαετίες η μοριακή βιολογία λειτουργούσε με τη σχεδόν αυτονόητη παραδοχή ότι το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει περίπου 20.000 γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, και ότι αυτές οι πρωτεΐνες αποτελούν το βασικό λειτουργικό “λεξιλόγιο” της ζωής. Η πρόσφατη έρευνα το κλονίζει αυτό. Και ίσως το πιο ενδιαφέρον στοιχείο δεν είναι μόνο η ανακάλυψη χιλιάδων νέων μορίων, αλλά η αλλαγή τρόπου σκέψης που επιβάλλει στην ίδια τη βιολογία», σχολιάζει στο Dnews ο Καθηγητής Μοριακής Βιολογίας Συστημάτων στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης και Διευθυντής Ερευνών στο Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας του ΙΤΕ, Νεκτάριος Ταβερναράκης.
Στη νέα μελέτη, η διεθνής ερευνητική κοινοπραξία με την επωνυμία TransCODE επιχειρεί να ‘φωτίσει’ αυτό που μέχρι σήμερα οι ερευνητές αποκαλούσαν «σκοτεινό πρωτέωμα».
«Πρόκειται για τα μικρά πρωτεϊνικά μόρια που κωδικοποιούνται από το ποσοστό εκείνο του γονιδιώματος που θεωρούνταν βιολογικός ‘θόρυβος’ ή εξελικτικό απολίθωμα», συμπληρώνει ο καθηγητής Ταβερναράκης.
«Το νέο όνομα που προτείνεται για τα μόρια αυτά είναι “peptideins”, ένας όρος που προέρχεται από τον συνδυασμό των λέξεων “peptide” και “protein”».
Πιο αναλυτικά, οι peptideins προέρχονται από τμήματα του DNA που θεωρούνταν «μη κωδικοποιητικά», δηλαδή από περιοχές του γονιδιώματος που οι ερευνητές πίστευαν ότι δεν παράγουν λειτουργικές πρωτεΐνες. Μέσα σε αυτές τις υποτιμημένες περιοχές εντοπίστηκαν τα λεγόμενα ncORFs, μικρές γενετικές αλληλουχίες που τελικά αποδείχθηκε ότι μπορούν να παράγουν πρωτεΐνες.
Οι ερευνητές εξέτασαν 7.264 τέτοιες αλληλουχίες DNA που δεν είχαν ταξινομηθεί ως κλασικά γονίδια πρωτεϊνών και διαπίστωσαν ότι περίπου το ένα τέταρτο αυτών παρήγαν ανιχνεύσιμα πρωτεϊνικά μόρια, εκ των οποίων τα περισσότερα ήταν μικροσκοπικά- περίπου το 65% αυτών είχαν λιγότερα από 50 αμινοξέα (τα δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών). Συγκριτικά, λιγότερο από το 1% των 20.000 αναγνωρισμένων ανθρώπινων πρωτεϊνών είναι τόσο μικρές.
Από αυτές τις αλληλουχίες βρέθηκαν επαρκή στοιχεία για την καταγραφή περίπου 1.785 ανιχνευμένων peptideins σε μεγάλες διεθνείς βάσεις δεδομένων όπως οι GENCODE, UniProt και PeptideAtlas.
Καθοριστική η αναγνώριση
Για τους επιστήμονες η προσθήκη των peptideins σε μεγάλες διεθνείς βάσεις δεδομένων θεωρείται καθοριστική. Ό,τι δεν καταγράφεται σε αυτές συχνά παραμένει ουσιαστικά αόρατο για την υπόλοιπη ερευνητική κοινότητα. Τώρα, οι peptideins αποκτούν επίσημη υπόσταση και μπορούν να συμπεριληφθούν σε μελέτες που αφορούν τον καρκίνο, την ανοσοθεραπεία και την κυτταρική λειτουργία.
«Γνωρίζουμε πλέον ότι αυτά τα μόρια υπάρχουν, αλλά δεν γνωρίζουμε ακόμη αν λειτουργούν ως “κανονικές” πρωτεΐνες ή αν αποτελούν παραπροϊόντα κυτταρικών διεργασιών. Το πιο εντυπωσιακό όμως είναι ότι αυτά δεν αντιμετωπίζονται πλέον ως περιθωριακές βιοχημικές περιέργειες. Αποκτούν επίσημη ονοματολογία και θέση στις μεγάλες βιολογικές βάσεις δεδομένων», προσθέτει ο Έλληνας επιστήμονας.
Το πρόβλημα είναι ότι οι περισσότερες από αυτές τις πρωτεΐνες μοιάζουν σχεδόν ‘εξωγήινες’ σε σχέση με όσα είναι ήδη γνωστά. Εκτός του ότι είναι εξαιρετικά μικρές σε μήκος αμινοξέων, συχνά δεν έχουν αντίστοιχα «συγγενικά» μόρια σε άλλα είδη, κάτι που δυσκολεύει τους επιστήμονες να αποδείξουν τι ακριβώς κάνουν.
Σε πολλές περιπτώσεις, οι αλληλουχίες DNA που τις παράγουν βρίσκονται κολλημένα πάνω σε γνωστά γονίδια ή ακόμη επικαλύπτονται από αυτά σαν κρυφά μηνύματα γραμμένα ανάμεσα στις γραμμές του DNA. Αυτή η ιδιαιτερότητα ήταν ένας από τους βασικούς λόγους που έμειναν εκτός των παραδοσιακών χαρτογραφήσεων του ανθρώπινου γονιδιώματος.
«Όπως επισημαίνουν οι ίδιοι οι συγγραφείς, η εξέλιξη αυτή θυμίζει έντονα την αναταξινόμηση του Πλούτωνα στην αστρονομία. Όπως η ανακάλυψη πολλών παρόμοιων ουράνιων σωμάτων ανάγκασε τους αστρονόμους να δημιουργήσουν μια νέα κατηγορία, αυτή των “νάνων πλανητών”, έτσι και στη βιολογία δημιουργείται μια νέα κατηγορία πρωτεϊνών “νάνων”».
Ωστόσο, η σημασία της ανακάλυψης δεν είναι μόνο θεωρητική.
«Ορισμένες peptideins ήδη φαίνεται να σχετίζονται με επιθετικούς παιδικούς καρκίνους, με την καρδιακή λειτουργία και με βασικούς μηχανισμούς επιβίωσης των κυττάρων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η περίπτωση μιας peptidein την οποία, όταν απενεργοποίησαν οι ερευνητές, διαπίστωσαν ότι μειώθηκε δραματικά η επιβίωση των καρκινικών κυττάρων. Αν αυτά τα ευρήματα επιβεβαιωθούν τότε η “σκοτεινή ύλη” του γονιδιώματος μπορεί να αποδειχθεί ένας τεράστιος, σχεδόν ανεξερεύνητος χώρος νέων θεραπευτικών στόχων», αναφέρει ο καθηγητής.
Περισσότερα από 30 ερευνητικά κέντρα συνιστούν την κοινοπραξία
Για να φτάσουν σε αυτά τα αποτελέσματα, ερευνητές σε περισσότερα από 60 εργαστήρια σε πάνω από 30 ερευνητικά κέντρα σε 13 χώρες, ανάμεσά τους και το Εργαστήριο Επιστήμης Υπολογιστών και Τεχνητής Νοημοσύνης του Έλληνα Μανώλη Κέλλη στο MIT στη Μασαχουσέτη, συνδύασαν τεχνολογίες αιχμής από διαφορετικά πεδία της μοριακής βιολογίας.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν CRISPR-Cas9 screening για να εξετάσουν ποιες peptideins είναι απαραίτητες για την επιβίωση των κυττάρων, νέες βιοπληροφορικές μεθόδους για να μετρήσουν την εξελικτική ηλικία αυτών των πρωτεϊνών και προηγμένες τεχνικές proteomics για να ανιχνεύσουν και να επιβεβαιώσουν την παρουσία τους.
Η διεθνής ερευνητική ομάδα εξέτασε 3,7 δισεκατομμύρια μεμονωμένα bit ακατέργαστων δεδομένων που μπορεί να υποστηρίζουν γνωστές και προηγουμένως άγνωστες πρωτεΐνες, προερχόμενα από 95.520 πειράματα, για την επεξεργασία των οποίων οι υπολογιστές χρειάστηκαν περίπου 20.000 ώρες. Οι 1.785 peptideins που βρήκαν, με την πρώτη ματιά θα αύξαναν τις βάσεις πρωτεϊνικών δεδομένων κατά σχεδόν 10 %.
«Το ενδιαφέρον είναι ότι η επιστήμη είχε μπροστά της αυτά τα στοιχεία εδώ και χρόνια, αλλά σε μεγάλο βαθμό τα αγνοούσε. Ο λόγος είναι κυρίως τεχνικός. Τα μικρά αυτά μόρια είναι δύσκολο να ανιχνευθούν με τις κλασικές μεθόδους πρωτεωμικής, ενώ η εξελικτική τους διατήρηση είναι συχνά περιορισμένη. Επίσης, η βιολογία, όπως κάθε επιστήμη, τείνει να εμπιστεύεται ό,τι μπορεί να μετρήσει εύκολα και να αναπαράγει σταθερά. Ό,τι αποκλίνει από το καθιερωμένο μοντέλο συχνά κατατάσσεται ως “θόρυβος”. Η νέα εργασία υπενθυμίζει ότι η φύση δεν είναι υποχρεωμένη να συμμορφώνεται με τα μοντέλα και τις κατηγοριοποιήσεις που δημιουργήσαμε για να την κατανοήσουμε», σημειώνει ο κ. Ταβερναράκης.
Παρότι οι περισσότερες peptideins παραμένουν μυστήριο, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η δημόσια διάθεση των δεδομένων θα επιταχύνει θεαματικά την πρόοδο στο πεδίο. Άλλες ερευνητικές ομάδες μπορούν πλέον να εντοπίζουν αν κάποια peptidein εμπλέκεται σε συγκεκριμένες κυτταρικές διαδικασίες, αν συνδέεται με μεταλλαγές DNA που προκαλούν ασθένειες ή αν εμφανίζεται συχνότερα σε ορισμένους τύπους καρκίνου.
«Σε κάθε περίπτωση, οι περισσότερες peptideins παραμένουν λειτουργικά αχαρτογράφητες και ίσως αρκετές να μην έχουν τελικά κάποιο ουσιαστικό βιολογικό ρόλο. Αυτή η επιφυλακτικότητα είναι δικαιολογημένη. Η ιστορία της βιοϊατρικής είναι γεμάτη από αρχικές περιόδους ενθουσιασμού που αργότερα όμως περιορίστηκε από πιο ακριβή δεδομένα. Ωστόσο, ακόμη κι αν μόνο ένα μικρό ποσοστό αυτών των μορίων αποδειχθεί λειτουργικά σημαντικό, η σημασία της ανακάλυψής τους παραμένει εντυπωσιακή».
Η επιστήμη έχει ξαναζήσει παρόμοιες στιγμές. Για δεκαετίες μεγάλα τμήματα του DNA θεωρούνταν «junk DNA»-γενετικά σκουπίδια χωρίς χρησιμότητα. Σήμερα γνωρίζουμε ότι πολλά από αυτά τα τμήματα παίζουν κρίσιμους ρυθμιστικούς ρόλους. Οι peptideins ίσως αποδειχθούν το αντίστοιχο χαμένο κεφάλαιο στον κόσμο των πρωτεϊνών, μικροσκοπικές, αινιγματικές και μέχρι πρόσφατα σχεδόν αόρατες, αλλά ενδεχομένως θεμελιώδεις για την κατανόηση της ζωής.
«Ίσως η μεγαλύτερη συμβολή της εργασίας να μην είναι η προσθήκη “1.785 νέων πρωτεϊνών” στους καταλόγους της βιολογίας, αλλά κάτι βαθύτερο: η υπενθύμιση ότι το ανθρώπινο γονιδίωμα απέχει πολύ από την πλήρη αποκωδικοποίησή του. Είκοσι πέντε χρόνια μετά την ολοκλήρωση του Human Genome Project ανακαλύπτουμε ότι ένα σημαντικό μέρος της βιολογικής πραγματικότητας βρισκόταν κυριολεκτικά μπροστά στα μάτια μας, αλλά εκτός του εννοιολογικού μας πεδίου. Και αυτό είναι ίσως το πιο γόνιμο μήνυμα της σύγχρονης επιστήμης: όσο περισσότερο φωτίζουμε τη ζωή, τόσο μεγαλώνει η περιοχή του αγνώστου», καταλήγει ο διακεκριμένος Έλληνας επιστήμονας.
