Wagner labb

Vår forskargrupp undersöker en heterogen klass av regulatoriska RNA (styr-RNA) i bakterier med avseende på deras biologiska funktioner och verkningsmekanismer. De flesta av dessa så-kallade "små RNA" basparar med många mål-mRNA, vilket leder till aktiverad/inhiberad proteinsyntes och/eller effekter på mRNA-nedbrytning. Detta i sin tur reglerar hur bakterier klarar av stress eller byter "livsstil".

Populärvetenskaplig presentation

Små RNA styr geners aktivitet

Under de senaste tio åren har vi sett ett paradigmskifte. Den bild vi hade om hur geners aktivitet styrs är föråldrad, och vi vet nu att små (och stora) RNA-molekyler är mycket viktiga aktörer i livsprocessernas arena. Alla organismer har DNA som arvsmassa. Geners aktivitet kontrolleras noggrant så att rätt äggviteämne kan tillverkas när och var det behövs. Snabba ändringar i en bakteries miljö eller bildandet av en nervcell kräver att gener slås på eller av. Tidigare antogs bara styrproteiner kontrollera genaktivitet men nu vet vi att RNA-molekyler kan det också! År 2001 hittade vi många då helt okända korta RNA i en tarmbakterie. Nästan all har styrfunktioner. Sedan hittades otaliga korta RNA (mikroRNA) i djur och växter. Även de styr gener – t.ex. under vävnaders bildande och en masks larvutveckling.

Hur kan korta RNA styra genaktivitet? Lösningen skönjer vi i den dubbeltrådiga DNA-strukturen, där två ihoptvinnade trådar hålls ihop genom att kvävebaser parar med varandra (de är "komplementära"). På samma sätt är styrRNA komplementära till mRNA (budbärar-RNA, ett RNA som är mallen för att bygga upp ett protein). Bindning av ett styrRNA gör att ett mRNA blir inaktivt. StyrRNA som fungerar på det sättet kallas även antisens-RNA.

Denna antisens-typ av genstyrning finns i alla organismer. Vi studerar en vanlig bakterie, Escherichia coli. Dels undersöker vi biologiska funktioner för dessa nya RNA, dels lär vi oss om mekanismer för hur ett antisensRNA binder sitt "mål"RNA och utövar sin effekt. Vi vill även förstå RNA-reglering generellt. Bakteriella styrRNA är längre än mikroRNA i växter och djur och har en del annorlunda egenskaper. De har tre-dimensionella strukturer (speciella öglor) som är viktiga för deras aktivitet. Ett styrRNAs inhiberande effekt på mRNA kan variera: mRNAt kan bli instabilt och förstöras, eller så blockeras proteintillverkningen. Styr-RNA kan även aktivera gener.

Vi har detaljstuderat flera styrRNA och deras funktioner. Ett av dem kan stoppa tillverkningen av ett giftämne som bakterien producerar under stress (DNA-skador). Två andra reglerar ytstrukturer, "curli", som byggs upp på cellens utsida och tillåter bakterier att vidhäftas på ytor (biofilm) – ofta under en infektion. Cellens yta är viktig för sjukdomsalstrande bakterier. Det är ju där kontakten med kroppens försvar sker först. Väldigt många yt- och yttermembran-proteiner kontrolleras av några få små RNA, och vi försöker att lära oss hur ett enda styrRNA kan målsöka så många olika mRNA. Vi kartlägger dessa effekter bl.a. med hjälp "djup RNA-sekvensering" och undersöker de reglerkretsar som styrRNA deltar i.

En rätt ny upptäckt är fenotypisk heterogenitet som betyder att identiskt lika bakterier i en och samma kultur kan uppvisa helt olika beteende (t.ex. att vara antingen aktiva eller "sovande"). Man kan se detta som en strategi att inte sätta allt på ett kort och därmed kunna parera plötsliga ändringar i miljön. Kortvarigt sovande bakterier kallas persisters och kan skapa problem i sjukvårde därför att de flesta antibiotika inte biter på sovande celler. Vi undersöker speciellt ett styrRNA-reglerat toxin som ökar andelen persisters. Vi vill även förstå hur bakterier växlar mellan olika livsstilar, som att simma med flageller istället för att bilda biofilm. Även här har vi hittat styrRNA som påverkar dessa beteenden.

I vår forskning använder vi genetiska, biokemiska, och små- och storskaliga molekylärbiologiska experiment. Vårt huvudintresset ligger i en djup förståelse av de fascinerande och viktiga roller som små styrRNA spelar, och hur de gör detta i molekylär detalj. Internationellt är forskning kring RNA som styrmolekyl ett mycket hett tema. Vår kunskap inom antisensRNA-forskningen kan även bidra till en förståelse av RNAs effekter på bakteriers cellyta, stresstålighet, och persisters som är relevant för att bekämpa sjukdomsalstrande bakterier.

Forskning

Vår grupp har en stark ställning inom forskningsfältet bakteriella regulatoriska RNA (styr-RNA). Under tidigare år studerade vi plasmid-relaterade funktioner (kopietalskontroll, stabil nedärvning) som kontrolleras av antisens-RNA. I många internationella samarbeten har vi genomfört detaljerade studier av dessa biologiska kontrollprocesser och deras verkningsmekanismer.

Senare projekt identifierade många nya så-kallade små-RNA (sRNA), en stor och viktig klass av styr-RNA som vi nu vet finns kodade i alla bakterie- och arké-kromosomer. De flesta av dem fungerar genom en antisens-mekanism som påminner om den som deras plasmid-kodade vänner använder – och även deras eukaryota kusiner (mikroRNA). Vi undersöker vilka roller sRNAn spelar i stressresponser och val av livsstil, samt vill lära oss om deras verkningsmekanismer ända till molekylär nivå. De flesta sRNA – men inte alla – binder till specifika budbärar-RNA (mRNA) så att ribosomer inte kan starta tillverkning av protein. Som vi kunde visa sker detta ibland med okonventionella mekanismer, som t.ex. inhibering av så-kallad "ribosome stand-by".

Ett nyare tema är stokastiska genregleringsprocesser som sRNA är inblandade i. Detta innebär ibland bi-stabila genuttrycksmönster som medför fenotypisk heterogenitet i bakteriepopulationer där alla celler har identisk genuppsättning.

Vi är också intresserade av de biologiska funktioner och molekylära mekanismer som rör ett bakteriellt nyckelprotein, Hfq. Detta protein är en medhjälpare för sRNA och behövs oftast för dess aktivitet och/eller stabilisering.

Vår forskargrupp arbetar i många olika discipliner och med olika metoder, såsom molekylär genetik, bakteriefysiolog, biokemi, molekylärbiologi och systembiologi.