Команда наблюдает за включением и выключением генома внутри клеток
Исследователи из UCSF разработали новый подход к расшифровке обширной информации, заложенной в геноме организма. Метод проливает свет на то, как именно клетки интерпретируют свой генетический материал для создания РНК и запуска новых клеточных процессов.
Комбинируя биохимические методы с новой, быстрой технологией секвенирования ДНК и передовыми компьютерными технологиями, команда смогла с беспрецедентным разрешением изучить, как клетка преобразует ДНК в РНК — молекулярного «кузена» ДНК, используемого в процессе создания белков. Исследование проводилось непосредственно внутри живой клетки (in vivo), а не в пробирке.
Это позволило преодолеть важный пробел в понимании того, что заставляет гены включаться и выключаться. Результаты будут опубликованы 20 января в журнале Nature и онлайн на сайте www.nature.com.
Основной способ «чтения» генома в клетке — его транскрипция в РНК. До сих пор ученые могли детектировать, какие РНК были произведены, но имели ограниченное представление о том, какая часть генома транскрибируется или что контролирует скорость синтеза РНК. Новая техника позволяет наблюдать этот процесс напрямую.
«Это позволяет запечатлеть клетку в процессе превращения ДНК в РНК с беспрецедентным разрешением. Раньше мы обычно изучали конечный продукт. Теперь мы можем напрямую наблюдать, как эти РНК-сообщения производятся in vivo», — сказал Джонатан С. Вайсман, старший автор статьи.
Прогресс позволяет исследователям осмыслить огромные массивы данных, сгенерированных проектом «Геном человека», и предоставляет новые инструменты для изучения таких процессов, как репрограммирование стволовых клеток.
«Геном — это жесткий диск клетки. До сих пор мы могли видеть информацию, которую содержит жесткий диск, а также видеть результат после того, как клетка прочитала эту информацию, но мы не знали, к каким именно данным она обращается. Здесь мы смогли увидеть, к каким данным она обращается, с достаточно высоким разрешением, чтобы также понять, как это фактически работает», — объяснила Л. Стирлинг Черчман, первый автор статьи.
До недавнего времени считалось, что менее 5% человеческого генома транскрибируется в РНК. Недавние достижения показали, что транскрибируется большинство ДНК, хотя много продукта всё ещё считается «мусорной РНК» (junk RNA).
«Теперь вопрос не в том, "почему эта ДНК там?", а в том, "почему эта РНК там?". Это может быть мусорная РНК, но мы не знаем», — сказала Черчман.
Исследование было сосредоточено на транскрипции ДНК в пекарских дрожжах (Saccharomyces cerevisiae), чей геном хорошо изучен. Ученые наложили свои карты производства РНК на существующие карты генома и позиций нуклеосом.
Впервые было непосредственно наблюдено, что фермент РНК-полимераза вступает в прямой контакт с гистоновыми белками во время транскрипции. Также было видно, как нуклеосомы действуют как «лежачий полицейский» (speed bump), замедляя движение полимеразы по геному. Кроме того, исследование показало, что организация гистоновых меток контролирует, будет ли из данной области ДНК производиться «мусорная РНК».
Новый подход дает точное представление о процессе в действии, а также понимание общих тенденций влияния гистоновых белков и их меток на транскрипцию.
«Существует долгая история попыток понять, как включаются гены. До сих пор ничто не было сопоставимо с этим по разрешению и глубине», — заключил Вайсман.