Ученые раскрыли способ картирования обширной неизвестной территории длинных некодирующих РНК

Ученые из Медицинской школы Университета Северной Каролины разработали мощный метод для изучения свойств загадочных молекул — длинных некодирующих РНК (lncRNAs), некоторые из которых играют важную роль в раке и других серьезных заболеваниях. До сих пор у ученых не было подходящих методов для определения функций десятков тысяч различных lncRNAs, производимых в человеческих клетках. Пока охарактеризованы лишь несколько сотен таких молекул — крошечная часть обширной terra incognita, которую они представляют.

Опубликовав исследование в Nature Genetics, ученые UNC обнаружили скрытый код, который связывает молекулярное строение lncRNAs с их фактической функцией, и разработали алгоритм для быстрой категоризации lncRNAs по их вероятным функциям.

"Длинные некодирующие РНК — часть того, что можно назвать 'темной материей' генома, и этот инструмент, который мы разработали, должен помочь нам гораздо лучше понять, как они работают в здоровье и болезни", — сказал старший автор исследования Мауро Калабрезе, доктор философии.

Генетическая информация у животных и растений хранится в ДНК, и клетки используют эту информацию, транскрибируя ДНК в тесно связанные молекулы, известные как РНК. Многие РНК затем транслируются в белки. Но ученым в последние десятилетия пришлось признать, что таким образом используется менее 2% генома. Большая часть ДНК транскрибируется в РНК, которые не кодируют белки. Они называются некодирующими РНК, а те, что длиннее 200 нуклеотидов, классифицируются как длинные некодирующие РНК (lncRNAs).

Многие из этих РНК связываются с белками или другими молекулами, чтобы включать или выключать гены, регулируя клеточные процессы. Одна из самых известных lncRNAs называется Xist, важная для нормального развития у самок. Высокий уровень другой — MALAT — связан с более агрессивными и метастатическими раками. В целом биологи уверены, что многие lncRNAs играют ключевую регуляторную роль, нарушение которой способствует развитию болезней. Однако пока охарактеризованы функции лишь небольшой доли многих тысяч lncRNAs, которые, как считается, существуют в клетках млекопитающих.

Одна из причин медленного прогресса в понимании функций этих молекул заключается в том, что функция lncRNA неочевидна при изучении ее последовательности нуклеотидов. Часто две lncRNAs со схожими функциями имеют очень разные последовательности.

Калабрезе и его команда, включая первого автора Джессима Кирка и профессора математики Питера Мучу, попытались расшифровать неочевидную связь между последовательностью lncRNA и ее функцией. Они исходили из двух ключевых подсказок:

1. Есть свидетельства, что lncRNAs функционируют в основном путем связывания с белками.
2. РНК связываются с белками с помощью коротких последовательностей внутри своей общей структуры.

"Мы предположили, что наличие белково-связывающих последовательностей в lncRNA важнее, чем их относительное расположение внутри молекулы. Это представление оказалось верным и позволило нам добиться успеха там, где более традиционные подходы потерпели неудачу", — сказал Калабрезе.

Команда разработала компьютерный метод SEEKR для поиска и сравнения белково-связывающих последовательностей, названных "k-mers", в lncRNAs, независимо от их точного местоположения. Ученые обнаружили, что около половины всех человеческих и мышиных lncRNAs можно сгруппировать в пять различных сообществ на основе сходства их k-mer состава. Этот подход также помог предсказать, где lncRNAs обычно находятся внутри клеток и с какими типами белков они связываются.

"Теперь мы можем взять информацию о последовательности хорошо изученной lncRNA и использовать ее для обнаружения других lncRNAs, которые могут функционировать через родственный механизм. В каком-то смысле это похоже на то, как если бы мы наконец смогли понять разные письменности на Розеттском камне", — сказал Калабрезе.

Неожиданно команда обнаружила, что сообщества, основанные на k-mer составе, часто были очень похожи между видами. Сообщества человеческих и мышиных lncRNAs были тесно похожи, но у некоторых сообществ lncRNAs млекопитающих были явные аналоги даже среди отдаленно родственных животных. Одно сообщество млекопитающих, представленное lncRNA под названием HOTTIP, имело родственные сообщества у других позвоночных и даже у морских ежей.

"С точки зрения k-mer состава, подмножества человеческих lncRNAs могут быть более похожи на lncRNAs эволюционно далеких видов, чем на другие человеческие lncRNAs. Это подтверждает идею, что группы lncRNAs выполняют схожие функции в разных организмах, несмотря на отсутствие очевидного линейного сходства последовательностей", — отметил Калабрезе.

В окончательной проверке своей концепции ученые синтезировали полностью искусственные lncRNAs, спроектировав их так, чтобы они включали k-mers, найденные в Xist, при этом убедившись, что общие последовательности молекул не похожи на какие-либо известные lncRNAs. Они применили алгоритм SEEKR к этим искусственным lncRNAs и обнаружили, что те с самой высокой предсказанной функциональной схожестью с Xist показали самую высокую фактическую схожесть в простом тесте в пробирке на Xist-подобную активность.

Калабрезе и его коллеги теперь надеются использовать свой k-mer подход для поиска и изучения lncRNAs, важных при таких заболеваниях, как рак. Они также ожидают усовершенствовать свои методы для лучшего предсказания функций lncRNAs на основе информации об их последовательности.

"Наши геномы производят так много lncRNAs, и теперь у нас есть гораздо лучшее представление о том, как смотреть на последовательности этих молекул, чтобы предсказать, какие из них делают важные вещи в наших клетках", — заключил Калабрезе.