Начало определяет конец: как промоторы предопределяют, где заканчиваются гены

Каждый ген в нашей ДНК имеет начало и конец. Правильное определение границ гена критически важно для производства функционального белка. Много исследований посвящено тому, что определяет, когда, где и на каком участке ДНК ген «начинается». Но история с тем, где ген заканчивается, иная — считалось, что выбор сайтов терминации транскрипции зависит от нижележащих элементов и внешних факторов.

В своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Cell, ученые из Института иммунобиологии и эпигенетики Макса Планка сделали удивительное открытие: для большинства наших генов место начала транскрипции определяет место ее окончания. Это явление высоко консервативно у разных видов и предопределяет сайты конца mRNA в самом начале транскрипции, играя ключевую роль в идентичности и функциональности клетки.

Все клетки организма содержат идентичную последовательность ДНК. Идентичность и функцию отдельных клеток и тканей определяет набор генов, активных в данном месте и в данное время. Эти активные гены транскрибируются с ДНК-матрицы в отдельные молекулы матричной РНК (mRNA), которые будут кодировать белки, необходимые клетке для функционирования.

В специфических местах, называемых промоторами, сложный молекулярный аппарат начинает транскрибировать последовательности ДНК в mRNA. Интересно, что большинство генов содержат несколько возможных сайтов, где транскрипция может начаться или закончиться. Это означает, что для каждого гена, в зависимости от сайта старта или терминации, mRNA могут быть разными. Экспрессия одного гена в разных вариантах многократно расширяет разнообразие и функциональность генома, одновременно добавляя новый уровень сложности его изучению.

Снимки РНК от начала до конца

Ученые хотели узнать, сколько разных стартовых и конечных сайтов использует каждый ген, в какой комбинации и отличаются ли эти комбинации в разных условиях. «Техническая проблема в том, что нам нужно прочитать каждую молекулу mRNA всех генов от самого начала до самого конца. Это колоссальная задача, которую раньше не решали», — говорит Валери Хильгерс.

Ученые использовали модифицированную технологию секвенирования нового поколения для считывания отдельных mRNA. Для получения информации о полноразмерной mRNA всего генома в нескольких тканях Drosophila, включая мозг, лаборатория Хильгерс совместно с Факультетом глубокого секвенирования MPI оптимизировала технологии длинного чтения. «Нам даже пришлось оптимизировать эту технологию и увеличить типичную длину чтения в несколько раз, чтобы получить информацию о полноразмерной mRNA в наших модельных системах», — говорит Карлос Альфонсо-Гонсалес.

Помимо Drosophila, в исследование были включены церебральные органоиды человека («мини-мозги», выращенные в чашке из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток) как модель нервной системы.

Собранные данные, представляющие каждую mRNA в масштабе полной молекулы, дают беспрецедентное представление о транскрипции отдельных генов. «Мы поняли, что далеко не случайным образом сайты начала транскрипции (TSS) и сайты окончания (TES) комбинируются друг с другом. Часто сайты начала транскрипции специфически связаны с определенными сайтами ее окончания», — говорит Хильгерс.

Эта связь является причинно-следственной: например, в яичниках искусственная активация TSS, который в норме используется только в мозге, переопределяет нормальный TES и искусственно индуцирует использование мозгового TES. Это показывает критическую роль TSS в формировании уникального для каждой ткани ландшафта РНК и, следовательно, влиянии на идентичность ткани.

Доминирование промотора управляет разнообразием РНК, функцией генов и идентичностью ткани

Однако одно явление выделялось. «Некоторые TSS демонстрируют неожиданное поведение доминирования. Они отменяют обычные сигналы к окончанию транскрипции, вытесняют другие TSS и вызывают выбор определенных TES. Соответственно, мы назвали их доминантными промоторами», — говорит Альфонсо-Гонсалес.

Кроме того, команда обнаружила, что взаимодействия между этими доминантными промоторами и связанными с ними концами генов направляются различными эпигенетическими сигнатурами. Важно, что результаты, полученные на клетках мозга Drosophila, удалось воспроизвести на органоидах человеческого мозга, что показывает: доминирование промотора — консервативный, возможно, универсальный механизм регуляции производства функциональных белков и функциональности клеток.

Какова может быть физиологическая значимость этого нового механизма? С помощью углубленного анализа консервативности последовательностей исследователи обнаружили, что TSS и TES демонстрируют коэволюцию: за миллионы лет эволюции между видами индивидуальные нуклеотидные изменения в начале гена у доминантных промоторов сопровождались изменениями в соответствующем конце гена.

«Мы интерпретируем это наблюдение как давление эволюции, направленное на поддержание взаимодействия между обеими крайностями гена, что подразумевает значительную важность этих связей для приспособленности животного», — говорит Валери Хильгерс.