Výzkumné záměry

RNA hrají klíčovou úlohu při všech biologických procesech a terapeutika založená na modifikovaných RNA molekulách nebo na molekulách, které regulují transkripci, sestřih nebo procesování RNA nebo translaci mohou být využita v léčbě mnoha onemocnění včetně těch, které na které doposud neexistuje účinná terapie.

Cílem projektu je výzkum, rozdělený do tří výzkumných záměrů (VZ), který by měl směřovat k novým typům RNA terapeutik:

• Transkripce a její regulace (VZ1)
• Modifikace RNA a mechanismy posttranskripční regulace (VZ2)
• Kontrola translace a racionální design syntézy proteinů (VZ3)

Náplní záměru je studium transkripce a návrh a studium modifikací DNA pro regulaci transkripce určitých genů. Výsledky regulace budou využity pro návrh potenciálních terapeutik zabraňujících nebo zefektivňujících expresi proteinů. Cílem může být návrh antibiotik nové generace nebo efektnější opravy genů pro genovou terapii.

Většina léčiv na bázi RNA se tradičně zaměřuje na cytoplazmatické molekulární mechanismy, například různé antisense mechanismy nebo přechodnou translaci léčiva na bázi mRNA in vivo pro vakcinaci. Pro rozšíření portfolia léčiv na bázi RNA se výzkumný záměr pokouší terapeuticky využít analogy nukleových kyselin, které napodobují nebo antagonizují endogenní procesy RNA spojené s transkripcí. Vzhledem k tomu, že navrhovaný směr výzkumu je na hranici současných technologií, je cílem záměru:

• vývoj nových přístupů k chemické a enzymové syntéze různých molekul RNA modifikovaných nukleobázemi a/nebo cukry;
• vývoj nových robustních transkripčních systémů, které mohou syntetizovat analogy RNA (včetně XNA), které nesou chemické modifikace pro použití v RNA terapiích a biomedicínských aplikacích;
• navrhování a studium nových potenciálních RNA léčiv zaměřených na helikázy a nukleázy, které řídí transkripční procesy;
• studium transkripčních regulátorů u bakterií, zejména těch, které se podílejí na virulenci, a základních regulátorů, které by mohly představovat cíle pro vývoj nových antibiotik;
• studium zastavení nebo modulace transkripce při setkání se specifickými modifikacemi DNA;
• modifikované RNA a XNA vyvinuté v tomto výzkumném záměru budou také použity ve VZ2 a VZ3 k regulaci úprav RNA nebo translace.

Náplní záměru je studium sestřihu a procesování mRNA a studium RNA interference a regulačních funkcí RNA. Výsledky mohou vést k návrhu RNA terapeutik pro léčbu nemocí vzniklých špatným sestřihem nebo posunem čtecího rámce, virových infekcí, genetických chorob nebo nádorových onemocnění.

Nově syntetizovaná RNA musí být správně zprocesována a modifikována, aby mohla plnit svou biologickou roli a zajistit kontrolu buněčné homeostáze. Výzkumný záměr zkoumá širokou oblast posttranskripčních regulací RNA a usiluje v ní o vývoj nových aplikací. Nesmírná rozmanitost této oblasti se odráží jak v různorodosti výzkumu, kterým se účastníci zabývají, tak v jejich modelových systémech a metodikách.

Výzkumný záměr je rozdělen do dvou hlavních výzkumných cílů, které představují dvě hlavní molekulární témata s aplikačním a/nebo terapeutickým potenciálem: I. Zkoumání a využití chemických modifikací RNA a II. Analýza a cílená manipulace lékařsky významných ribonukleoproteinových (RNP) komplexů. Obsáhlý a bohatý program zahrnuje výzkum lidských patologií spojených s defekty metabolismu RNA a studium specifických adaptací metabolismu RNA u lidských patogenů. Specifickými cíli pak budou činnosti zaměřené na vysokou relevanci pro medicínu a praktické aplikace, konkrétně:

• odhalení role 5‘ NAD čepičky v lidských snRNA a propojení s metabolismem volného NAD při různých patologiích;
• rozbor role 5' NAD čepičky RNA u Bordetella pertussis a stanovení jejího medicínského významu;
• vývoj RNA aptamerů rozpoznávajících specifické 5' RNA čepičky, které by mohly sloužit k selektivní detekci a zacílení na specificky modifikované mRNA;
• analýza vnitřních a koncových modifikací savčích RNA, jejich funkce v genové expresi a potenciál pro terapii založenou na mRNA;
• vývoj syntetických oligonukleotidů s potenciálem regulovat proteiny vázajícící 3' konce RNA v trypanosomatidech a posouzení jejich schopnosti sloužit jako inhibitory parazitů na bázi RNA;
• rozluštění souvislosti mezi mutacemi ve spliceozomových RNP a rozvojem retinitis pigmentosa (RP) a zkoumání schopnosti modifikovaných oligonukleotidů zmírnit dopad mutací na rozvoj RP;
• řešení struktur RNP editujících mitochondriální RNA u trypanosomatidů a identifikace jejich komponent, na které bude možné cílit inhibitory;
• vývoj a testování nových chemicky modifikovaných siRNA a miRNA terapeutik;
• definování spektra molekulárních defektů způsobených mutacemi AGO a Dicer u lidských patologií;
• vytvoření nejmenší funkční varianty savčího Diceru a testování jeho antivirové úlohy, schopnosti napravit mutace Diceru v nádorových buňkách nebo deficit Diceru v pigmentovém epitelu sítnice.

Celkově tento výzkumný záměr pomůže pochopit molekulární příčiny patologických stavů souvisejících s metabolismem RNA. Jeho cílem bude odhalit nové terapeutické cesty a vyvinout strategie zaměřené na RNA a specifické aspekty jejich metabolismu s potenciálem využití v biotechnologiích a medicíně.

Studium translace a regulace a studium stabilnějších a efektivnějších derivátů a analogu mRNA umožní návrh a vývoj efektivních mRNA terapeutik pro v podstatě každé onemocnění způsobené abnormální expresí některého z proteinů, RNA vakcín či regulaci exprese proteinů.

Translace/proteinová syntéza ukončuje tok genetické informace z DNA do proteinů a definuje tak její celkový výstup (vytvořený proteom) za daných podmínek. Náplní tohoto výzkumného záměru je využít regulační mechanismy translace k výrobě stabilních a účinných RNA terapeutik s vyladěnými vlastnostmi pro léčbu různých onemocnění. Konečným cílem je naučit se časoprostorově modulovat účinnost translace, a tím buď snížit nebo zvýšit expresi zájmového proteinu v příslušných patogenních buňkách nebo tkáních. Získané výsledky pak budou využity k vývoji nových nástrojů pro studium a léčbu deregulovaných komplexních molekulárních mechanismů, které jsou základem složitějších onemocnění, jako je například rakovina.

Konkrétně se tento výzkumný zaměřuje na:

• vyvinutí modifikovaných nukleových kyselin s minimální imunogenicitou jako nástroje pro cílenou modulaci účinnosti prokaryotické a eukaryotické translace v bezbuněčných systémech i v živých buňkách, včetně těch patogenních. Existují jen velmi omezené informace o tom, jak modifikované nebo alternativní nukleotidy ovlivňují stabilitu a translatabilitu mRNA. Naším cílem je prozkoumat použitelnost zde vyvinutých modifikovaných mRNA jako RNA terapeutik;
• navrhnutí léčiv, jako jsou krátké modifikované regulátory RNA nebo XNA, různé analogy 5’ mRNA čepiček a také malé inhibiční molekuly, které přímo cílí na faktory zprostředkovávající jednotlivé fáze syntézy proteinů;
• studium buněčné aktivace, proliferace a diferenciace naivních T-lymfocytů a transformační změny v translatomu různých buněk karcinomu krevních buněk, jakož i schopnost těchto buněk překládat modifikované mRNA vyvinuté v rámci tohoto projektu jako perspektivní léčiva;
• vyvinutí nových chemicko-enzymatických přístupů pro syntézu modifikovaných tRNA za účelem studia úlohy hladin tRNA, jejich modifikací a transportu v rámci kodonově nespecifické translaci, s možností využití molekuly tRNA jako specifického terapeutika pro léčbu široké škály genetických onemocnění a použitelnosti modifikovaných tRNA jako antiparazitárních léčiv.