La ricerca di una molecola naturale in grado di liberare energia cellulare.

Tutte le cellule del corpo umano, e i movimenti che esse rendono possibili, dal battito del cuore al movimento delle dita dei piedi, utilizzano l’energia generata da una molecola chiamata ATP. Si ritiene che la sua energia venga rilasciata per alimentare i processi cellulari in un solo modo: quando la decomposizione dell’ATP viene avviata da un enzima, un tipo specifico di proteina.

Questi enzimi naturali sono chiamati ATPasi, e la dipendenza dell’ATP dalla loro attività rende questi catalizzatori un modello ideale per la scoperta di farmaci. Ad esempio, un’ATPasi di origine naturale, più piccola e malleabile di una proteina, potrebbe essere progettata per uno scopo preciso, come quello di indirizzare l’energia dell’ATP verso l’eliminazione delle cellule tumorali o di bloccare il rilascio di energia che stimola processi cellulari dannosi.

I ricercatori della Ohio State University hanno fatto un passo avanti verso questa possibilità identificando il primo RNA non codificante derivato da cellule umane in grado di legarsi all’ATP. Il team sta ora esaminando la funzione di questo RNA, nella speranza che il suo legame con l’ATP sia simile a quello di un’ATPasi, che potrebbe costituire la base per una nanoparticella terapeutica.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Non-coding RNA Research .

Mettere in discussione una visione basata esclusivamente sulle proteine

“Il concetto di un RNA non codificante che funzioni come ATPasi è ancora molto nuovo. Nessuno è ancora riuscito a trovare attività ATPasica in un RNA”, ha affermato Peixuan Guo, autore senior dello studio e professore titolare della cattedra Sylvan G. Frank presso la Divisione di Farmaceutica e Farmacologia dell’Ohio State University.

“Molti scienziati pensano che le proteine ​​umane gestiscano tutta l’attività dell’ATP nel corpo, ma io credo che non sia possibile che si limiti a una sola funzione proteica”, ha affermato.

Guo è un pioniere nella scoperta degli RNA non codificanti funzionali, minuscole molecole di RNA prive di istruzioni per la sintesi proteica, che costituiscono oltre il 98% del genoma umano. Il suo laboratorio ha dedicato anni al perfezionamento della tecnologia delle nanoparticelle con molecole di RNA versatili che interagiscono con l’organismo, e più recentemente ha progettato aggregati molecolari chiamati micelle di RNA in grado di eliminare le metastasi del cancro del colon-retto nei topi.

È ottimista sul fatto che nel genoma si possa trovare un RNA non codificante che funzioni come ATPasi e prevede di utilizzare tale molecola per una nuova classe di nanomateriali terapeutici.

Screening dell’RNA umano per il legame con l’ATP

Questo nuovo lavoro si basa su precedenti ricerche condotte nel laboratorio di Guo, che hanno portato all’identificazione di un RNA virale in grado di legarsi all’ATP.

“In sostanza, stavo proseguendo quello studio, cercando di capire se ci fosse qualcosa negli RNA umani in grado di legarsi all’ATP”, ha affermato la prima autrice Margaret Bohmer, dottoranda nel laboratorio di Guo.

Bohmer ha eseguito diversi cicli di screening dell’RNA totale estratto da cellule umane, alla ricerca di segmenti in grado di legarsi all’ATP. Tra un ciclo e l’altro, ha rimosso i segmenti non leganti e ha amplificato la presenza di ATP fino a ottenere un pool arricchito di RNA che si legavano esclusivamente all’ATP. Ha quindi sequenziato ciò che rimaneva, confermando l’identificazione di un singolo RNA non codificante che si legava fortemente all’ATP.

La struttura di questo RNA è chiamata G-quadruplex, che ha il vantaggio di essere molto compatta e altamente stabile, ha affermato Bohmer.

Indizi dai motori RNA virali

Il team sta approfondendo la ricerca studiando nel dettaglio come questo RNA non codificante si leghi all’ATP.

Secondo lei, c’è una buona probabilità che questo RNA non codificante possa far parte di un motore ATPasico che contribuisce alla decomposizione dell’ATP: una previsione basata sulla precedente scoperta del laboratorio, secondo cui l’RNA virale che avevano trovato anni fa e che si legava all’ATP faceva parte del complesso ATPasico del motore .

In un altro recente articolo pubblicato su Non-coding RNA Research , il team di Guo ha anche trovato prove che la stessa famiglia di molecole virali, chiamate RNA di confezionamento, o pRNA, si è modificata strutturalmente nel corso dell’evoluzione per svolgere funzioni biologiche legate ai motori cellulari: un segno che, come le proteine ​​enzimatiche, potrebbero innescare reazioni catalitiche simili nelle cellule.

“Siamo curiosi di vedere se questo RNA a quadruplex di guanina sia un RNA che funziona in modo simile”

Abstract

È stato dimostrato che i motivi di RNA termostabili sono un materiale unico per la costruzione di nanoparticelle per molte applicazioni (Guo lab, Nature Nanotechnology, 2020 PMID: 21102465 ; 2021 PMID: 21909084 In questo studio, riportiamo la scoperta di un G-quadruplex di ncRNA umano ultra-stabile e ricco di guanina che lega l’ATP, con un forte potenziale per diventare una nanoparticella veicolante di farmaci. Il movimento è una caratteristica chiave dei sistemi viventi, che può essere realizzata grazie ai biomotori ATPasi. Gli esseri umani producono, metabolizzano e consumano ATP ogni giorno in una quantità equivalente al loro peso corporeo. Data l’abbondanza di RNA non codificante (ncRNA) scoperto nel corpo umano, ci si aspetta che molti RNA non codificanti, corti o lunghi, siano coinvolti nel legame e nell’idrolisi dell’ATP. Ciò si basa sul fatto che, sebbene tutte le ATPasi attualmente note siano proteine, solo l’1,5% del genoma del DNA umano codifica per proteine, mentre il restante 98,5% codifica per ncRNA che svolgono ruoli cruciali nella regolazione delle funzioni vitali. Abbiamo scoperto un G-quadruplex di ncRNA umano endogeno che lega l’ATP. Questo RNA legante l’ATP è stato scoperto tramite screening in vitro di ncRNA endogeni estratti da cellule umane. Questo ncRNA legante l’ATP, che si è rivelato in grado di formare G-quadruplex, è stato caratterizzato mediante legame alla colonna di ATP e dicroismo circolare. Le nanoparticelle di RNA compatte e strettamente ripiegate forniranno una nuova classe di nanomateriali funzionali, utilizzabili sia come bersagli che come vettori per la coniugazione di farmaci e la somministrazione terapeutica.

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