Эпигенетический «переключатель» регулирует взаимодействия РНК и белков
Химические изменения — также известные как эпигенетические модификации — в матричной РНК (мРНК) считаются важными для регуляции экспрессии генов. Недавно было обнаружено, что они влияют на биологические процессы, такие как регуляция циркадных ритмов и ожирение. Однако конкретные механизмы оставались плохо изученными.
Новое исследование учёных из Чикагского университета показывает, что эпигенетические модификации мРНК действуют как структурный «переключатель». Они физически открывают пространство в сложенной цепи мРНК, что позволяет РНК-связывающим белкам распознавать и считывать участки мРНК, которые в противном случае были бы недоступны. Результаты, опубликованные в Nature 25 февраля, дают новое понимание этой развивающейся области.
«Эпигенетические модификации РНК влияют практически на все взаимодействия РНК и белков», — сказал старший автор исследования Тао Пан, профессор биохимии и молекулярной биологии. — «Этот механизм «переключателя», как ожидается, работает как главный регулятор широкого спектра биологических активностей, влияя на взаимодействия РНК-белок».
Экспрессия генов регулируется несколькими механизмами. Один из них — эпигенетические изменения ДНК — хорошо изучен. Эпигенетические изменения РНК также были идентифицированы, но только недавно это явление — широко известное как эпитранскриптом — стало тщательно изучаться для понимания его роли в экспрессии генов.
Наиболее распространённое эпигенетическое изменение РНК — это добавление метильной группы к определённым нуклеотидам аденозина, известное как модификация N6-метиладенозина (m6A). Считается, что это представляет собой «код», влияющий на то, как РНК-связывающие белки считывают и интерпретируют генетические инструкции, передаваемые РНК.
Пан и его коллеги идентифицировали специфические m6A-модификации на мРНК, которые усиливали её взаимодействие с распространённым РНК-связывающим белком HNRNPC. Этот белок распознаёт и связывается только с определённой последовательностью нуклеотидов — пятью уридинами подряд. Однако m6A-модификация изменяет только нуклеотиды аденозина. Прямое связывание HNRNPC с сайтом m6A не могло объяснить различия во взаимодействии.
В отличие от двойной спирали ДНК, одноцепочечная мРНК сворачивается в сложные структуры. Исследователи обнаружили, что конкретная m6A-модификация находилась в месте, где цепь РНК сворачивалась в шпилечную петлю. Напротив сайта m6A находилась последовательность из пяти уридинов подряд — целевой сайт связывания для HNRNPC.
Команда обнаружила, что наличие m6A делало целевой сайт связывания более доступным, физически открывая пространство для распознавания сайта белком. Это увеличивало сродство HNRNPC к этой РНК. Без m6A сайт связывания был скрыт внутри шпильки и недоступен.
«РНК-связывающие белки, такие как HNRNPC, могут иметь сотни тысяч потенциальных сайтов связывания в клетке», — сказал Пан. — «Метилирование в структуре РНК позволяет сайтам, которые в противном случае были бы скрыты, лучше конкурировать за связывающие белки. Мы называем это m6A-переключателем».
Команда подтвердила свои выводы с помощью модели и аналитического метода, который позволил определить, что эти уридиновые сайты зависели от m6A для связывания с HNRNPC. Они также применили метод для поиска таких сайтов по всей клетке и обнаружили почти 40 000 сайтов m6A, влияющих на связывание HNRNPC. Это указывает на то, что явление широко распространено и, вероятно, может быть применимо к другим белковым взаимодействиям.
Исследователи обнаружили, что когда m6A удаляли с этих сайтов, количество мРНК снижалось, а также менялись паттерны альтернативного сплайсинга. «Следствие, конечно, в том, что эпигенетические изменения в мРНК в конечном итоге меняют создаваемый из неё белок, что может быть связано со здоровьем или болезнью», — сказал Пан.
Команда продолжает анализировать структурные и функциональные последствия работы m6A-переключателя, а также мутации, влияющие на его функцию. «Мы всё ещё многому учимся в регуляции генов», — добавляет Пан. — «Этот механизм представляет собой ещё один слой эпигенетической регуляции экспрессии генов, аналогичный метилированию ДНК и модификации гистонов».