Консорциум ENCODE идентифицировал последовательности РНК, участвующие в регуляции экспрессии генов
Человеческий геном содержит около 20 000 белок-кодирующих генов, но кодирующие части составляют лишь около 2% всего генома. Ученые пытаются понять функцию остальных 98%.
Консорциум ENCODE (Энциклопедия элементов ДНК) достиг значительного прогресса, идентифицировав многие участки генома, связывающиеся с регуляторными белками. В новом исследовании в рамках ENCODE ученые определили множество дополнительных сайтов, кодирующих молекулы РНК, которые, вероятно, влияют на экспрессию генов.
Эти последовательности РНК не транслируются в белки, но различными способами контролируют количество белка, производимого из кодирующих генов. Международная команда использовала РНК-связывающие белки (RNA-binding proteins, RBPs), чтобы найти и определить возможные функции десятков тысяч последовательностей генома.
"Это первый крупномасштабный функциональный геномный анализ РНК-связывающих белков с использованием нескольких различных методик", — говорит Кристофер Бёрдж, профессор MIT. Технологии для изучения RBPs теперь приближаются к уровню доступных для ДНК-связывающих белков.
Регуляция на уровне РНК
Большая часть проекта ENCODE до сих пор полагалась на технику ChIP-seq для обнаружения регуляторных последовательностей ДНК. Однако она не выявляет элементы, которые должны быть скопированы в РНК, прежде чем участвовать в регуляции генов.
Команда использовала технику eCLIP, которая с помощью ультрафиолета сшивает молекулы РНК с RBPs внутри клеток. Затем специфичные RBPs выделяют с помощью антител и секвенируют связанные с ними РНК.
RBPs выполняют множество функций: факторы сплайсинга, терминация транскрипции, усиление трансляции, деградация РНК или направление РНК в конкретное место клетки.
Исследователи провели eCLIP для около 150 RBPs и объединили результаты с данными экспериментов по нокдауну экспрессии около 260 RBPs по одному в человеческих клетках, измеряя эффекты на взаимодействующие РНК.
С помощью техники RNA Bind-N-Seq, разработанной в лаборатории Бёрджа, ученые смогли точнее определить, где RBPs связываются с РНК, выявляя очень короткие последовательности, иногда содержащие структурные мотивы.
В целом, удалось изучить около 350 из 1500 известных человеческих RBPs, используя одну или несколько этих методик на белок. Комбинирование данных позволило создать "атлас" карт, описывающих, как активность каждого RBP зависит от места его связывания.
Кроме того, группа Лекюье из Университета Монреаля пометила зеленым флуоресцентным белком более 300 RBPs, чтобы определить их локализацию в клетках (ядро, цитоплазма, митохондрии). Эта информация также помогает понять функции.
Связь РНК и болезней
Многие лаборатории теперь используют эти данные, чтобы выявить связь между некоторыми идентифицированными последовательностями РНК и человеческими болезнями. Для многих заболеваний обнаружены генетические варианты — однонуклеотидные полиморфизмы (SNPs), — более распространенные у людей с конкретной болезнью.
"Если они находятся в кодирующей области, можно предсказать эффект на структуру и функцию белка. Но если в некодирующей области — сложнее. Если они попадают в некодирующий регион, который мы идентифицировали как связывающийся с RBP, и нарушают мотив RBP, то можно предсказать, что SNP может изменить сплайсинг или стабильность гена", — говорит Бёрдж.
Ученые планируют использовать свои РНК-ориентированные методики для генерации данных по дополнительным РНК-связывающим белкам. "Эта работа предоставляет ресурс, который сообщество человеческой генетики может использовать для выявления генетических вариантов, функционирующих на уровне РНК".