Новая техника раскрывает дополнительный уровень регуляции генов у человека
Техника LORAX-seq впервые позволяет определить, как часто и где именно происходит молекулярное событие "откат" (backtracking) в геноме любого вида.
Результаты исследования, опубликованные 9 февраля в Molecular Cell, подтверждают теорию, что откат представляет собой распространённую форму регуляции генов, влияющую на тысячи человеческих генов, включая многие, участвующие в фундаментальных процессах жизни, таких как деление клеток и развитие эмбриона.
Исследование вращается вокруг транскрипции — первого шага в экспрессии гена, когда РНК-полимераза II движется по цепи ДНК, считывая генетические инструкции. В 1997 году было показано, что РНК-полимераза может иногда проскальзывать назад по считываемой цепи — это явление назвали "откатом".
Новая техника LORAX-seq может напрямую обнаруживать, где начинаются и заканчиваются события отката. Метод показывает, что многие такие события отходят дальше, чем считалось ранее, и длятся дольше. Результаты также предполагают, что устойчивый откат происходит часто по всему геному, чаще — рядом с определёнными типами генов, и имеет функции, выходящие далеко за рамки репарации ДНК.
"Удивительная стабильность отката на большие расстояния делает вероятным, что он представляет собой повсеместную форму генетической регуляции у видов от бактерий до человека", — говорит старший автор исследования Евгений Нудлер.
Механизм и потенциальная роль
Когда РНК-полимераза II откатывается, она выталкивает кончик цепи РНК из своего внутреннего канала. Считается, что транскрипция быстро восстанавливается фактором TFIIS, который способствует отщеплению выдавленной РНК. Однако, если полимераза откатывается дальше определённого расстояния (например, на 20 нуклеотидов), откатившаяся РНК может прикрепиться к каналу, удерживая комплекс в заблокированном состоянии дольше. Такие комплексы с меньшей вероятностью будут "спасены" TFIIS, что может задержать транскрипцию гена.
Это привело к теории, что откат, помимо ключевой роли в репарации ДНК, может регулировать активность генов, усиливая или ослабляя её.
В текущем исследовании команда использовала высокую концентрацию очищенного TFIIS (без конкурирующих белков), чтобы точно вырезать любой фрагмент откатившейся РНК в генетическом коде клетки. Это сделало вырезанные фрагменты доступными для технологий, считывающих последовательности.
Исследователи также обнаружили, что гены, контролирующие гистоны (белковые "катушки", вокруг которых оборачиваются цепи ДНК), в высокой степени подвержены устойчивому откату.
Авторы предполагают, что степень, в которой это происходит, с сопутствующими изменениями в транскрипции определённых генов, может контролировать время масштабного накопления гистонов, необходимого во время деления клетки для восстановления хроматина. Они также считают, что устойчивый откат может влиять на своевременную транскрипцию генов, жизненно важных для развития тканей.
"Наряду с потенциально полезными функциями, устойчивый откат также может приводить к повреждению ДНК и другим генетическим сбоям, способствующим развитию болезней", — говорит первый автор исследования Кевин Ян.
Авторы предполагают, что измерение отката в контексте старения или рака может помочь понять, почему происходят сбои в клеточном ответе на стресс и репликации клеток, и предложить новые подходы к лечению.