Транскрипция работает как часы
Циркадным 24-часовым колебаниям в организме человека подвержены не только несколько ключевых генов и белков. Тысячи генов в органах по всему телу демонстрируют предсказуемые суточные колебания активности, контролируемые сложным набором механизмов, как обнаружили исследователи Медицинского института Говарда Хьюза.
Основное открытие заключается в том, что функция фермента РНК-полимеразы II, который транскрибирует гены для синтеза белков, меняется в соответствии с циркадным циклом. Исследование было опубликовано онлайн 30 августа 2012 года в журнале Science.
Понимание того, как гены циклически включаются и выключаются в течение дня, ключевое для изучения многих биологических функций, включая сон и метаболизм. «Если посмотреть на мишени этих циркадных генов, то главная категория — это метаболические пути. Часы тесно вовлечены в ежедневный контроль метаболизма», — говорит исследователь HHMI Джозеф С. Такахаси.
«Это открытие даёт нам новую картину временной динамики транскрипции. Это новый и интересный способ взглянуть на циркадные циклы, а также на полимеразы и транскрипцию в целом», — отмечает он.
Такахаси и его коллеги провели углублённое исследование того, где в геноме регуляторные белки связываются с генами-мишенями в клетках печени мышей. Команда с удивлением обнаружила более 20 000 сайтов связывания для одного или нескольких белков. Более чем на 1000 из этих сайтов могли связываться все семь изученных белков (активаторы CLOCK, BMAL1, NPAS2 и репрессоры PER1, PER2, CRY1, CRY2), но многие сайты были мишенями либо только для активаторов, либо только для репрессоров.
Для определения влияния связывания циркадных белков на активность генов учёные измерили суточные паттерны экспрессии всех активных в печени генов, отдельно отслеживая РНК экзонов и интронов.
Более 2000 генов показали суточные циклы экспрессии на уровне экзонов, но менее 1400 генов — на уровне интронов. Пики интронной РНК приходились на одно и то же время, в то время как пики экзонной РНК были разбросаны в разное время суток.
«Когда мы сравнили наборы генов с циклирующими интронами и экзонами, мы обнаружили очень мало совпадений. Только около 22% генов с циклирующими экзонами регулируются на уровне транскрипции», — говорит Такахаси. Для остальных 78% увеличение и уменьшение активности должно происходить на более поздних этапах регуляции, уже после начальной транскрипции ДНК в РНК.
Дальнейшее изучение генов с циклической транскрипцией показало, что связывание РНК-полимеразы II с генами происходит гораздо раньше в течение дня, чем сама транскрипция. Активаторы транскрипции CLOCK и BMAL1 рекрутируют РНК-полимеразу II в начале цикла, но её активность подавляется ингибитором CRY1. В результате РНК-полимераза находится в «готовом» или приостановленном состоянии в течение нескольких часов, прежде чем может начать транскрипцию. Таким образом, зависящие от циркадного ритма этапы включают как рекрутирование РНК-полимеразы, так и её высвобождение из приостановленного состояния.
«Мы обнаружили, что инициация РНК-полимеразы II является циркадной на уровне всего генома. Наряду с глобальной регуляцией РНК-полимеразы II и транскрипции мы также обнаружили глобальную регуляцию состояния хроматина циркадными часами. Гистоновые белки, критически важные для целостности ДНК, также обширно модифицировались на циркадной основе по всему геному», — говорит Такахаси.
Это говорит о том, что практически каждый ген потенциально может модулироваться в соответствии с циркадным циклом. Следующим шагом является выяснение того, как РНК-полимераза контролируется ежедневно и что заставляет её приостанавливаться на определённых генах в определённое время суток. Также остаётся открытым вопрос о регуляции других молекул РНК после транскрипции.