Малые молекулы создают систему безопасности для защиты генома

Тысячи коротких молекул РНК с разнообразными генетическими последовательностями служат охранниками, которые идентифицируют и подавляют попытки вторжения в геном, такие как ДНК, вставленная вирусами или паразитическими элементами, известными как транспозоны.

Эти разнообразные малые молекулы РНК, известные как Piwi-взаимодействующие РНК (piRNA), производятся различными животными — от насекомых и червей до млекопитающих, таких как мыши и люди. В новом исследовании, опубликованном 2 февраля в журнале Science, исследователи из Чикагского университета описывают, как piRNA находят чужеродные генетические последовательности, чтобы их замолчать. Они также показывают, как эндогенные или «свои» гены, которые законно принадлежат геному, идентифицируют себя, чтобы избежать этой дополнительной проверки.

«Почти у каждого животного есть эти малые РНК, и они используют их как руководство для поиска целевых последовательностей и их подавления», — сказал Хенг-Чи Ли, доктор философии, старший автор исследования.

База данных «подозреваемых»

В новом исследовании Ли и его коллеги изучали piRNA, производимые клетками репродуктивной системы нематодного червя C. elegans — классического модельного организма.

Piwi-взаимодействующие РНК — это тип малых РНК, которые связываются с так называемым аппаратом Argonaute в клетках, который ищет целевые РНК и отключает их. Некоторые малые РНК должны точно соответствовать целевой последовательности, чтобы идентифицировать её, в то время как другие могут помечать гены с частичным совпадением.

Учёные не были уверены, как именно piRNA находят свои цели, отчасти потому, что их очень много. Например, у изучаемой нематоды более 15 000 piRNA с разными нуклеотидными последовательностями.

Когда Piwi распознают свою цель, они рекрутируют набор ещё более мелких вторичных РНК, соответствующих последовательности в месте-мишени, — это способ пометить её. Команда создала синтетическую piRNA с последовательностью, которой не существует у червя, и отследила, где она создаёт свой маркер. Затем, исследуя различные последовательности, помеченные синтетической piRNA, они смогли выяснить логику поиска совпадения.

Оказалось, что piRNA требуют достаточно близкого совпадения с частью последовательности, но могут допускать несколько несовпадений в остальной части. Также выяснилось, что множество несвязанных Piwi у червей — это инструментарий из множества возможных комбинаций последовательностей, которые могут понадобиться для идентификации чужеродных РНК и их отключения. Это похоже не на охранника, ищущего конкретного человека, а на целую базу данных возможных подозреваемых.

Избегание ложных срабатываний

Но как система избегает ложных срабатываний, то есть ошибочной идентификации эндогенных «своих» генов? Чтобы выяснить это, исследователи сконструировали piRNA, способные распознавать несколько хорошо известных генов, принадлежащих геному нематоды. Однако этот набор piRNA не подавлял и не влиял на функцию эндогенных генов, что означало их устойчивость.

Исследователи также обнаружили, что многие эндогенные гены имеют дополнительные повторяющиеся участки нуклеотидов A и T, которые помечают их как «свои», а не чужие. Этот лицензирующий сигнал служит удостоверением личности гена, «паспортом», показывающим системе piRNA, что он принадлежит геному.

«Мы показали, что эндогенные гены способны противостоять системе piRNA с помощью системы лицензирования», — сказал Ли.

Практическое препятствие, преследовавшее биологов годами

Исследование также решает техническую проблему, которая десятилетиями ставила в тупик учёных, работающих с C. elegans. Когда исследователи хотят изучить конкретный ген, они часто вносят небольшие модификации, чтобы специальный белковый тег, производящий флуоресцентный свет, мог присоединиться к белкам, производимым интересующим их геном. Это хорошо работает в большинстве типов клеток, но в зародышевой линии система piRNA обнаруживает эти генетические изменения и отключает производство флуоресцентного тега.

Команда Ли показала, как учёные могут предотвратить это. Отредактировав сайты, распознаваемые piRNA, ровно настолько, чтобы они не могли их найти, можно сохранить функцию генов неизменной. Исследователи также могут вставить те же сигналы самоидентификации в некодирующие участки ДНК, чтобы изменения выглядели как принадлежащие эндогенным генам. Эти методы также позволят учёным использовать систему редактирования генов CRISPR-Cas9 для отслеживания изменений в зародышевой линии.

«Это решает очень практическое препятствие, которое преследовало биологов, работающих с C. elegans, последние 20 лет», — сказал Ли.