...

Sinds 2013 interesseert het laboratorium voor kankersignalisatie (Laboratory of Cancer Signaling) van het GIGA van de Universiteit van Luik zich voor transfer-RNA (tRNA). In 2018 heeft het laboratorium een studie (1) gepubliceerd in Nature over verworven resistentie van een melanoom met een BRAF-mutatie tegen geneesmiddelen die dat oncogen remmen. De studie heeft aangetoond dat regeling van tRNA essentieel is voor de metabole aanpassingsmechanismen die vereist zijn als kankercellen resistent worden tegen gerichte geneesmiddelen. Die aanpassing veronderstelt inderdaad bepaalde veranderingen van de eiwitsynthese en daarvoor moeten de tRNA's veranderen. Cellen reageren op stress door hun tRNA's aan te passen. Dat mechanisme is al terug te vinden bij gisten en is tijdens d e evolutie bewaard gebleven. Het is gebaseerd op een regeling van de synthese van specifieke eiwitten via een optimaal aflezen van de codonen van het boodschapper-RNA. "Alle levende wezens bevatten tRNA. Dat moet dus essentieel zijn voor de aanpassing van de cellen", zegt dokter Pierre Close, onderzoekshoofd F.R.S.-FNRS, WELBIO-onderzoeker en codirecteur van het laboratorium voor kankersignalisatie. De eerste auteur van het artikel dat in 2018 in Nature is verschenen, is Francesca Rapino. Ze is gekwalificeerd onderzoekster van het F.R.S.-FNRS en codirectrice van het laboratorium. Ze herinnert eraan dat de cellen hun proteoom constant moeten aanpassen in reactie op interne en externe prikkels. "Die continue aanpassing wordt geregeld door veranderingen van de transcriptie en de vertaling van boodschapper-RNA (mRNA)", legt ze uit. "tRNA's zijn de meest voorkomende niet- coderende RNA-moleculen in de cellen. Ze ontcijferen het mRNA door mRNA-triplets (codonen) correct te koppelen aan de overeenstemmende tRNA-triplets (anticodonen) in het ribosoom." Als een passend tRNA gekoppeld is aan het mRNA- triplet, wordt het aan het tRNA hangende aminozuur met een peptidebinding aan de eiwitketen gekoppeld. Dat tRNA verlaat dan het ribosoom zonder aminozuur. Er bestaan 61 mRNA-triplets (codonen), die coderen voor 20 aminozuren, en ongeveer 400 genen coderen voor varianten van tRNA- sequenties die hetzelfde codon herkennen. Je zou dus kunnen spreken van tRNA-families. De wetenschappelijke gemeenschap heeft het functionele belang van de heterogeniteit binnen elke familie van varianten echter lang weggewuifd. "tRNA's werden over het algemeen beschouwd als adaptieve moleculen met een vrij passieve regulerende functie", zegt Pierre Close. "In 2016 heeft een Amerikaanse groep (Goodrazi et al.) een artikel gepubliceerd in Cell, dat iedereen heeft wakkergeschud. In dat artikel tonen de vorsers aan dat tRNA's een actievere rol zouden kunnen spelen dan wat algemeen wordt aangenomen en dat veranderingen van de expressie van bepaalde tRNA's de cellen bepaalde eigenschappen zouden kunnen verlenen." Ze hebben hun studies uitgevoerd op muizen met borstkanker. Hun studies wijzen uit dat tRNA's zelf een oncogeen potentieel kunnen hebben en er meer bepaald toe leiden dat de borstkankercellen gemakkelijker uitzaaien. Dat artikel en enkele andere studies die rond dezelfde tijd gepubliceerd zijn, bevestigen het belang van tRNA bij kankeronderzoek. In haar studies heeft Francesca Rapino aangetoond dat een specifiek geheel van gewijzigde tRNA's nodig is voor een correcte vorming van oncoproteomen, d.w.z. een geheel van eiwitten in kankercellen. "We kunnen nu alle eiwitten van het proteoom identificeren en zodoende kunnen we ook verschillen analyseren tussen de eiwitten van een gezonde cel en die van een kankercel", zegt Francesca Rapino. Zo kunnen de geheimen van de desbetreffende machinerie worden ontsluierd en kan worden nagegaan welke 'instrumenten' de cellen gebruiken om een oncoproteoom te synthetiseren. "Onze studies en die van andere vorsers tonen aan dat de diversiteit van de tRNA's een sleutelrol speelt bij de vorming van proteomen. Dat wijst erop dat tRNA's een actieve rol spelen bij de pathogenese van de met kanker samenhangende fenotypes", rapporteert Francesca Rapino. Dankzij het tRNAtoGO-project, dat gefinancierd wordt door een ERC Starting Grant (1,5 miljoen euro) van de Europese onderzoeksraad, wil de onderzoekster de cellulaire origine van kankerstamcellen beschrijven in de hoop zo op termijn diagnostische en voorspellende biomarkers en nieuwe, effectievere behandelingen te kunnen ontwikkelen voor tumoren met een slechte prognose. Een raakvlak dus tussen onderzoek van kankerstamcellen en onderzoek van tRNA. Francesca Rapino merkt verder op dat recente studies wijzen op een verband tussen de regeling van de vertaling van mRNA en de aard van de stamcellen (gezonde of kankerstamcellen). Kankerstamcellen komen voor bij veel kankers. Die cellen zijn van cruciaal belang bij de pathogenese van kanker, maar het ziet er ook naar uit dat ze ook belangrijk zijn bij het metastaseren en de resistentie tegen behandeling. Kankerstamcellen kunnen zich 'oneindig' vermenigvuldigen, ook al kunnen ze zich dan nog altijd differentiëren tot progenitorcellen met een laag celdelingspotentieel. Als een kankerstamcel zich deelt, zijn er drie mogelijkheden: ze kan twee stamcellen vormen (we spreken dan van 'symmetrische hernieuwing'), twee progenitorcellen ('symmetrische differentiatie') of een stamcel en een progenitorcel ('asymmetrische hernieuwing'). Er is echter nog niet veel bekend over de moleculaire biologie van kankerstamcellen, aldus Francesca Rapino. In het tRNAtoGO-project gaat de onderzoekster uit van de hypothese dat een vertaalprogramma (dus eiwitsynthese) meespeelt bij de omzetting van een normale in een kankerstamcel, een vertaalprogramma dat gebaseerd is op specifieke tRNA- repertoria. Met andere woorden, een stamcel die een genetische mutatie vertoont, zal pas de eigenschappen van een kankerstamcel krijgen als de gemuteerde cel een oncoproteoom kan vormen. Het tRNA is een essentieel onderdeel van de 'stille machinerie' die ervoor zorgt dat de cel de eiwitten kan synthetiseren die ze nodig heeft. Francesca Rapino wil dan ook tRNA-signaturen opsporen die typisch zouden zijn voor kankerstamcellen. "Dan zouden we kunnen voorspellen of de cellen vatbaar zijn voor verschillende oncogene genetische mutaties", zegt ze. "De cellen bevatten heel veel tRNA. Identificatie van kankerspecifieke tRNA-signaturen zou dan ook kunnen helpen om de diagnose in een vroeg stadium te stellen en zo de levensverwachting van de patiënten te verbeteren." Het tRNAtoGO-project is nog maar net in de steigers gezet, maar de wetenschappers van de ULiège hebben er toch al hypothesen uit gehaald over de mogelijke variaties van het repertorium van specifieke tRNA-signaturen naargelang van het type tumor en het evolutiestadium. "Zo moeten kankerstamcellen om uit te zaaien en metastasen te vormen bepaalde kenmerken verwerven zoals het vermogen om te migreren en in een weefsel te dringen", zegt Pierre Close. "Daarvoor zijn specifieke eiwitten nodig en dus ook een even specifieke vertaalmachinerie. Eenzelfde redenering over resistentie tegen de behandeling. Hoewel nog hypothetisch, is het dus zeer waarschijnlijk dat de tRNA-signatuur zal verschillen naargelang van de context." Het zou dus best kunnen dat de tRNA-signaturen veranderen naarmate de ziekte vordert, waardoor dus ook de oncoproteomen veranderen. Francesca Rapino heeft aanvankelijk haar onderzoek uitgevoerd bij muizen met darmkanker met het model van organoïden, driedimensionale structuren die in celcultuur de anatomie van een orgaan in gereduceerde vorm nabootsen. Er vormen zich minidarmen van muizen en het experimentele kankerproces kan dan ex vivo gevolgd worden. "Met de CRISPR-Cas9-technologie schakelen we specifiek elk van de ongeveer 400 genen uit die coderen voor de tRNA's in de gezonde en kankerstamcellen van muizen", legt Francesca Rapino uit. "Vervolgens bepalen we de tRNA's. Verlies van tRNA's heeft invloed op de vorming van kankerstamcellen, maar niet op de levensvatbaarheid van normale stamcellen." Met recente sequencingtechnieken (tRNA-sequencing, Ribo-seq) gaan we dan de signatuur van elk van die moleculen ontcijferen. In een volgende fase gaan we knock-outmuizen maken waarbij we elk tRNA waarvan de signatuur geïdentificeerd is, gaan uitschakelen. "Het is daarbij de bedoeling de impact van die moleculen bij de pathogenese van de tumor te evalueren op niveau van een organisme waarin fenomenen plaatsvinden zoals regeling van de stamcellen, het immuunsysteem enz.", zegt Pierre Close. En Francesca Rapino voegt er nog aan toe: "Vervolgens hopen we onze methode te kunnen toepassen op andere kankers met een slechte prognose, zoals long- en pancreaskanker." De onderzoekster hoopt dat we dankzij de studie de patiënten beter klinisch zouden kunnen stratificeren met het oog op een behandeling op maat. Ze beschouwt de tRNA-signaturen vooral als diagnostische en voorspellende elementen. Bijvoorbeeld om na te gaan of er een hoog risico is op metastasering en of de tumor gevoelig zal zijn voor een gegeven behandeling. "Misschien kan dat ons op het spoor zetten van kankermedicijnen gericht tegen tRNA of tegen de enzymen die de tRNA's regelen, om te verhinderen dat de kankerstamcellen zouden migreren of resistent worden tegen de behandeling", zegt Pierre Close nog. tRNA-signaturen zijn mogelijk biomarkers die zouden kunnen gebruikt worden om de evolutie van een kanker en de respons op de behandeling te volgen. Tot nog toe hebben we daar echter weefselbiopten voor nodig. We hopen dan ook dat we in de toekomst vloeibare biopten zouden kunnen gebruiken. Een gedeelte van het onderzoek ter zake heeft betrekking op exosomen, membraangebonden extracellulaire vesikels, die niet-coderende RNA's waaronder tRNA's bevatten.