Prediction of deleterious nsSNPs of mouse DROSHA gene targeting miR-16 and miR-21maturation in vascular smooth muscle cells: Integrated computational and experimental study

Binnen de wanden van elk bloedvat werkt een laag gladde spiercellen onvermoeibaar om de bloedstroom te regelen, door aan te spannen en te ontspannen om onze circulatie stabiel te houden. Wanneer deze cellen defect raken, kunnen de gevolgen ernstig zijn, wat leidt tot aandoeningen zoals een hoge bloeddruk of verharde slagaders. Om correct te kunnen functioneren, vertrouwen deze cellen op een geavanceerd intern communicatiesysteem dat wordt aangedreven door piepkleine moleculen die microRNA's worden genoemd. Denk aan deze moleculen als microscopische managers die de cel vertellen welke genen aan of uit moeten staan, zodat de cel zich gedraagt zoals het hoort. Om deze managers te creëren, gebruikt de cel een moleculaire machine genaamd Drosha, een enzym dat werkt als een precieze schaar die ruw genetisch materiaal knipt in de afgewerkte, bruikbare vorm. Als dit knipproces gebrekkig is, worden de managers nooit gemaakt en verliest de cel het vermogen om zichzelf te reguleren.

Wetenschappers weten al lang dat Drosha essentieel is voor het leven, maar ze hebben moeite gehad om precies te bepalen welke delen van het enzym het meest cruciaal zijn voor zijn taak. Een enkele verandering in de genetische code, een mutatie genoemd, kan de machine soms breken, maar het vinden van de specifieke plek waar een verandering problemen veroorzaakt, is als het zoeken naar een enkele losse draad in een enorm tapijt. In een nieuwe studie combineerden onderzoekers krachtige computersimulaties met laboratoriumexperimenten om een specifiek zwak punt in het Drosha-enzym van muizen te identificeren. Ze ontdekten dat een kleine wijziging op een specifieke locatie op het enzym de productie van twee vitale microRNA's verstoort: één die beschermt tegen tumoren en een andere die ze juist kan bevorderen. Deze bevinding biedt een nieuw perspectief op hoe de machinerie van het leven kan worden bijgesteld om potentieel de vasculaire gezondheid te beïnvloeden.

De onderzoekers begonnen hun onderzoek door het Drosha-gen te behandelen als een puzzel die opgelost moest worden door middel van berekening. Ze verzamelden de genetische blauwdruk van het muis-Drosha-enzym en haalden deze door een reeks computerprogramma's die voorspellen hoe veranderingen in de aminozuursequentie de stabiliteit en functie van het eiwit zouden beïnvloeden. Deze programma's fungeren als virtuele filters die door duizenden mogelijke mutaties zeven om de varianten te vinden die het meest waarschijnlijk schade veroorzaken. De analyse wees naar één specifieke locatie op het enzym: positie 401. In de normale, gezonde versie van het enzym wordt deze plek bezet door een aminozuur genaamd glutaminezuur. De computermodellen suggereerden dat als dit zou worden vervangen door een ander aminozuur genaamd glutamine, het enzym instabiel en minder effectief zou worden.

Om deze voorspelling te testen, bouwde het team een gedetailleerd driedimensionaal model van het enzym, zowel in de normale vorm als met de specifieke mutatie op positie 401. Vervolgens simuleerden ze hoe deze modellen zich in de loop van de tijd zouden gedragen, waarbij ze observeerden hoe ze bewogen en bogen in een virtuele omgeving. De simulaties onthulden dat de gemuteerde versie van het enzym inderdaad stabieler was in zijn structuur, maar dat deze stabiliteit een prijs had. De mutatie leek de manier waarop het enzym met zijn partnerproteïne, Dgcr8, interageert, te veranderen, een partner die vereist is om de volledige snijmachine te vormen. De computergegevens suggereerden dat deze verandering in het partnerschap de capaciteit van de machine zou verzwakken om het ruwe genetische materiaal te verwerken tot volwassen microRNA's.

Met de computer modellen die een sterke hint gaven, gingen de onderzoekers naar het laboratorium om te zien of hetzelfde effect optrad in levende cellen. Ze gebruikten een techniek om het natuurlijke Drosha-gen in vasculaire gladde spiercellen van muizen te stilleggen, waardoor het vermogen van de cel om microRNA's te produceren effectief werd uitgeschakeld. Zodra de cellen afhankelijk waren van een externe bron, introduceerde het team een nieuwe versie van het Drosha-gen. In een groep cellen voegden ze het normale, niet-gemuteerde gen toe. In een andere groep voegden ze het gen met de specifieke mutatie op positie 401 toe. Vervolgens maten ze de niveaus van twee belangrijke microRNA's: miR-16, die fungeert als een tumorsuppressor, en miR-21, die bekend staat om het bevorderen van celgroei en kanker kan aanjagen.

De resultaten bevestigden de voorspelling van de computer. In de cellen met het gemuteerde enzym daalde de productie van beide microRNA's aanzienlijk vergeleken met de cellen met het normale enzym. Dit bewees dat de mutatie op positie 401 inderdaad de bekwaamheid van de cel om deze vitale moleculen te rijpen heeft aangetast. De onderzoekers merkten echter een opvallend verschil op in hoe de twee microRNA's reageerden. Het niveau van de groeibevorderende miR-21 daalde veel scherper dan het niveau van de beschermende miR-16. Specifiek zorgde de mutatie ervoor dat de expressie van miR-21 met een factor 1,79 daalde, terwijl die van miR-16 met een factor 1,28 daalde. Dit suggereert dat de mutatie een onevenredig sterk effect heeft op de oncogene microRNA, wat het potentieel een nuttig doelwit maakt om schadelijke celgroei te dempen zonder de beschermende mechanismen van de cel volledig uit te schakelen.

Deze studie markeert de eerste keer dat wetenschappers deze specifieke mutatieplaats op het Drosha-enzym hebben geïdentificeerd en gevalideerd in de context van vasculaire gladde spiercellen. Door digitale modellering te combineren met fysieke experimenten, hebben de onderzoekers aangetoond dat een enkele, kleine verandering in de genetische code een meetbare impact kan hebben op het interne communicatienetwerk van de cel. Hoewel het onderzoek nog geen nieuw middel voor de behandeling van vasculaire ziekten biedt, levert het een duidelijke kaart van hoe het Drosha-enzym functioneert en hoe het gemanipuleerd zou kunnen worden. De bevindingen suggereren dat het door het zorgvuldig herontwerpen van de sequentie van dit enzym mogelijk is om de productie van specifieke microRNA's nauwkeurig af te stemmen, wat een nieuwe weg biedt voor het begrijpen en potentieel beheren van de complexe gedragingen van bloedvatcellen.