Раскрытие роли «мусорной ДНК»
Исследование под руководством учёных из Медицинской школы Калифорнийского университета в Сан-Диего проливает новый свет на молекулярные инструменты, которые наши клетки используют для регуляции экспрессии генов. Исследование было опубликовано онлайн 10 ноября в журнале Nature Structural and Molecular Biology.
«Мы обнаружили новый механизм, который позволяет белкам, направляющим сплайсинг пре-мРНК — РНК-связывающим белкам — оказывать регуляторный эффект с гораздо больших расстояний, чем считалось возможным», — заявил первый автор Майкл Т. Ловчи.
Исследователи сделали это открытие, работая над пониманием самых базовых сигналов, управляющих функцией клеток. По словам Ловчи, эта работа расширяет рамки, которые должны учитывать будущие исследования по этой теме. Более важно то, что она расширяет потенциальные мишени для терапий, которые могли бы корректировать молекулярные дефекты с помощью генетического материала — антисмысловых олигонуклеотидов (ASO).
«Это исследование даёт ответ на вопрос десятилетней давности в биологии, — пояснил главный исследователь Джин Йео, PhD. — Когда последовательность генома человека была полностью собрана, менее десяти лет назад, мы узнали, что менее 3% всего генома содержит информацию, кодирующую белки. Это создало сложную проблему: что делают остальные 97%?»
Роль остальной части генома была в значительной степени загадкой, и её называли «мусорной ДНК». С тех пор секвенирование других, нечеловеческих геномов позволило учёным выделить последовательности, которые удивительным образом сохраняются на протяжении сотен миллионов лет эволюции. Широко признано, что это свидетельство эволюционного ограничения подразумевает, что даже не кодируя белок, определённые сегменты генома жизненно важны.
Используя это эволюционное сохранение в качестве ориентира, учёные описали различные способы использования клетками этих некодирующих регионов. Некоторые служат сайтами связывания ДНК для белков, активирующих или подавляющих транскрипцию РНК. Другие, на которых было сосредоточено это исследование, регулируют альтернативный сплайсинг мРНК.
Эукариотические клетки используют альтернативный сплайсинг пре-мРНК для создания белкового разнообразия в процессе развития и в ответ на окружающую среду. Избирательно включая или исключая регионы пре-мРНК, клетки создают в среднем десять версий каждого из более чем 20 000 генов в геноме. РНК-связывающие белки наиболее тесно связаны с принятием этих решений, но мало что известно о том, как они выполняют свои роли в клетках.
«Для большинства генов кодирующее белок пространство распределено сегментами, как острова в океане, — сказал Ловчи. — Машинерия обработки РНК, включая РНК-связывающие белки, должна выбирать эти небольшие части и точно соединять их, чтобы создавать функциональные белки. Наша работа показывает, что важны не только последовательности рядом с этими "островами", но и эволюционно консервативные последовательности, находящиеся очень далеко от них, для координации решений о сплайсинге».
Поскольку эта предпосылка противоречит существующим моделям регуляции альтернативного сплайсинга, авторы стремились определить механизм, с помощью которого может происходить регуляция на большом расстоянии. Они идентифицировали РНК-структуры — РНК, которая складывается и спаривается сама с собой, — существующие между регуляторными сайтами и далёкими кодирующими «островами». Назвав этот тип взаимодействий «РНК-мостами» за их способность связывать удалённые регуляторы с их мишенями, авторы показывают, что это, вероятно, распространённый и недооценённый механизм регуляции альтернативного сплайсинга.
Эти открытия имеют предсказуемые последствия для биомедицины, поскольку РНК-связывающие белки, на которых сосредоточились исследователи — RBFOX1 и RBFOX2 — демонстрируют сильные ассоциации с нарушениями нейроразвития, такими как аутизм, а также с некоторыми видами рака. Поскольку эти два белка действуют в начале каскада эффектов, понимание того, как они направляют решения альтернативного сплайсинга, может привести к прогрессу в целевой терапии, исправляющей ошибки сплайсинга, лежащие в основе многих заболеваний.