Medan vårt genom är genomgripande transkriberat till tiotusentals icke-kodande RNA, har endast ett fåtal av dessa transkript hittills karakteriserats på molekylär nivå. Till exempel är endast 1 % av alla tillgängliga högupplösta 3D-strukturer i PDB RNA-strukturer! Som ett resultat har vi för närvarande fortfarande en mycket dålig förståelse för RNA-struktur och veckning, för hur det känner igen och interagerar med små-molekyler och för dess funktionella mekanismer.

RNA presenterar unika experimentella utmaningar som ännu inte kan hanteras tillfredsställande med hjälp av bioinformatik och beräkningsverktyg, verktyg som fungerar väl för proteiner. Till exempel är det svårt att förutsäga hur RNA bevaras evolutionärt, att beräkna RNA-dynamik och att modellera RNA:s sekundära och tertiära strukturer korrekt, trots framsteg inom algoritmer för artificiell intelligens. Ändå håller RNA-baserade terapier på att bli verklighet och öppnar upp gränserna inom precisionsmedicin. Därför måste RNA betraktas som ett strategiskt ämne för experimentell forskning och vi bör fylla gapet inom strukturbiologi som skiljer RNA från proteiner.

För att fylla denna kunskapslucka bedriver vårt laboratorium två huvudsakliga forskningsinriktningar.

1. Karakterisering och modulering av den grundläggande splitsningsprocessen i prokaryoter och eukaryoter

Här karakteriserar vi de självsplitsande grupp II-intronerna. Dessa ribozymer är bakteriella och organella förfäder till den nukleära spliceosomen och är flyttbara genetiska element av farmakologisk och bioteknologisk betydelse. Genom att integrera enzymatiska, strukturella och simuleringsstudier har vi på molekylär nivå visat hur dessa 400 nt långa ribozymer veckas, utför katalys och känner igen små molekyler genom sitt konserverade aktiva säte. Vårt arbete ger en unik molekylär film av dessa multidomäns-RNA, som samlas i funktionellt aktiva konformationer, och vi etablerar en grund för att förstå hur RNA undviker bildandet av icke-funktionella "kinetiska fällor" under veckningen. Dessutom har vi löst 5 olika steg i katalysen och därmed visualiserat de atomära detaljerna i splitsningsmekanismen hos bakterier och organeller. Slutligen har vi klargjort den molekylära grunden för hur bakteriell och organellsplitsnings hämmas av små RNA-bindande molekyler, som verkar selektivt och specifikt på det konserverade katalytiska sätet genom att anta distinkta positioner vid olika steg av katalysen. Våra insikter i veckningen, splitsningsmekanismen och mekanismen för splitsningsinhibering stämmer överens med biokemiska, strukturella och funktionella data om spliceosomen, vilket förstärker uppfattningen att dessa evolutionärt besläktade molekylära maskiner delar samma enzymatiska strategi och kan moduleras av små molekyler av samma kemiska klass. Vårt arbete ger således en solid grund för rationell design av splitsningsmodulatorer, inte bara mot bakteriella och organella introner, utan även mot den mänskliga spliceosomen, vilket är ett validerat läkemedelsmål för behandling av medfödda sjukdomar och cancer.

Med hjälp av verktygen vi utvecklat under karakteriseringen av splitsande ribozymer strävar vi också efter att erhålla högupplösta strukturer av lncRNA, eftersom en sådan prestation skulle göra det möjligt för oss att förstå och modulera lncRNA:s verkningsmekanismer i oöverträffade detaljer, inklusive på molekylär och atomär nivå (se forskningslinje 2).

2. Karakterisering av den molekylära verkningsmekanismen hos mänskliga lncRNA.

Min grupp studerar den molekylära mekanismen för däggdjurs lncRNA som är involverade i reglering av genuttryck under utveckling och som svar på miljöstress. Vi är särskilt intresserade av hur lncRNA veckas in i diskreta sekundära och tertiära strukturer och hur dessa strukturer bestämmer cellulära funktioner i samband med regulatoriska proteiner, såsom kromatinombyggnadsenzymer och transkriptionsfaktorer.

Medan vi primärt använder biokemiska metoder, såsom SHAPE- och HRF-probning, i kombination med moderna biofysiska metoder, såsom röntgenkristallografi, kryoelektronmikroskopi, SAXS (på engelska: small-angle X-ray scattering), atomkraftsmikroskopi och NMR, integrerar vi också dessa in vitro-studier med in vivo-funktionella analyser, såsom genuttryck och cellcykelanalys.

I ett nyligen genomfört arbete har vi fastställt nya och oväntade sekundära och tertiära strukturegenskaper hos ett präglat och alternativ-splitsat humant lncRNA med namnet MEG3 (på engelska: maternally expressed gene 3). Tack vare en systematisk mutagenesmetod kopplad till in vivo-funktionella analyser och evolutionära inriktningar har vi överraskande upptäckt att MEG3 behöver anta en diskret tertiär struktur för att kunna stimulera proteinet p53 och därmed fungera som en tumörsuppressor i vuxna celler. Parallellt producerar vi kända interaktionsfaktorer för MEG3, såsom Polycomb-grupproteiner och p53 självt, för att karakterisera dessa proteiner och deras interaktioner med MEG3 från ett biokemiskt och biofysiskt perspektiv.

Våra framsteg banar nu väg för att karakterisera strukturen och funktionen hos MEG3 och många andra lncRNA med högre precisionsnivå, genom högupplösta biofysiska tekniker och proteomik, transkriptomik och genomik. Vårt mål är att dechiffrera åtminstone några av gåtorna och mysterierna kring lncRNA:s biologi. Vilka är de molekylära bestämningsfaktorerna för den till synes promiskuösa, men täta och selektiva interaktionen mellan lncRNA och deras proteinkofaktorer? Vad styr lncRNA-veckningen i den trånga kärnmiljön? Vilken roll spelar den komplexa strukturen hos lncRNA i samspelet mellan alla epigenetiska regulatorer och kromatinets struktur? I slutändan kommer högupplösta insikter i lncRNA och deras ribonukleoproteinkomplex att möjliggöra kvantitativa mätningar av epigenetiska processer och potentiellt leda till utvecklingen av nya terapeutiska metoder för att bota invasiva mänskliga sjukdomar.