Новый вид регуляции мРНК охарактеризован
РНК, когда-то считавшаяся лишь посредником между ДНК и белком, теперь признана стадией, на которой действует множество регуляторных процессов, обеспечивающих гибкость экспрессии генов и функций клеток и тканей.
В новом отчёте в журнале Plant Cell биологи из Университета Пенсильвании использовали материал людей и растений для изучения химических модификаций матричной РНК (мРНК). Они обнаружили, что эти модификации, по-видимому, играют значительную роль в процессе, определяющем, выживет ли мРНК и будет транслирована в белок или же будет направлена на деградацию.
Их анализ также показал, что мРНК, кодирующие белки, участвующие в ответе на стресс, с большей вероятностью подвергались модификациям, чем другие молекулы мРНК. Это указывает на то, что модификации могут обеспечивать механизм, позволяющий организмам динамично реагировать на изменения окружающей среды на пост-транскрипционном уровне.
Исследование возглавили Брайан Д. Грегори, доцент кафедры биологии, и Ли Э. Вандивер, аспирант его лаборатории. Соавторами выступили Рафаэль Кампос и Иэн М. Сильверман из лаборатории Грегори, а также Павел П. Кукса и Ли-Сань Ван из Медицинской школы Перельмана.
Снимок всех последовательностей РНК, присутствующих в организме в определённый момент времени, называется транскриптомом. В этом исследовании учёные хотели изучить эпитранскриптом — модификации последовательностей молекул РНК, которые могут влиять на экспрессию генов.
Грегори разработал новые методы для изучения регуляции РНК, включая метод PIP-seq для идентификации сайтов взаимодействия с РНК-связывающими белками. В данной работе он, Вандивер и коллеги использовали другой метод — HAMR (высокопроизводительная аннотация модифицированных рибонуклеотидов), который они разработали совместно с Ваном. Этот подход позволяет идентифицировать нуклеотиды в молекулах РНК, которые были модифицированы после транскрипции с ДНК.
«Эти изменения увеличивают потенциальные химические свойства молекулы РНК, — сказал Грегори. — Вместо просто A, C, U и G вы получаете почти все возможные вариации».
Ранее было обнаружено более 100 таких типов ковалентных модификаций, в основном в молекулах РНК, не кодирующих белки, таких как транспортная РНК (тРНК) и рибосомная РНК (рРНК).
Однако в этом исследовании учёные хотели изучить модификации в матричной РНК (мРНК) — временных молекулах, ответственных за трансляцию определённой последовательности нуклеотидов в специфические аминокислотные последовательности для построения белков.
Используя метод HAMR, команда исследовала эпитранскриптом двух линий человеческих клеток, а также незрелых цветочных почек Arabidopsis thaliana (классического модельного растения). Они искали модификации, изменяющие край Уотсона-Крика, ответственный за способность мРНК к спариванию оснований.
Анализ HAMR провели на трёх разных библиотеках РНК, собранных в ходе предыдущих исследований: малых РНК, полиаденилированных (стабильных) РНК и РНК, находившихся в процессе деградации.
Из трёх наборов в библиотеке деградирующей мРНК обнаружилось преобладание модификаций по сравнению с двумя другими. Это говорит о том, что модификации либо вызывали маркировку на деградацию, либо были её следствием.
«Люди, вероятно, не думали об этих модификациях, потому что не думали о деградирующих молекулах РНК, — отметил Грегори. — Но мы должны, потому что деградация молекулы РНК — это и есть её регуляция. Когда нужно прекратить производство белка, вы деградируете мРНК».
В стабильных молекулах РНК исследователи обнаружили, что такие модификации часто встречались в областях альтернативного сплайсинга — процесса, при котором один ген может быть «вырезан и склеен» в различных комбинациях для кодирования разных вариантов белков.
«Мы видим много модификаций, расположенных прямо над теми элементами внутри интрона, которые необходимы для сплайсинга, — сказал Вандивер. — Теоретически эти модификации могут нарушать работу сплайсингового аппарата. Это то, что мы хотели бы изучить дальше, поскольку альтернативный сплайсинг может играть роль во многих человеческих заболеваниях».
В завершение команда провела анализ, чтобы определить, какие типы мРНК особенно обогащены модификациями. Они взяли подмножество модифицированных мРНК, выявленных с помощью HAMR, и сравнили его с общим пулом экспрессированных мРНК-транскриптов.
«Мы увидели значительное обогащение в этом подмножестве генами, вовлечёнными в ответ на стресс, а также в контроль клеточного цикла и апоптоз», — сказал Вандивер. Это указывает на то, что модификации у людей и растений связаны с генами, которые должны быть жёстко регулируемыми и способными маркироваться для деградации при необходимости.
Исследователи отметили, что их выводы, хотя и проясняющие ситуацию, представляют лишь верхушку айсберга в изучении потенциала регуляции РНК с помощью высокопроизводительных и вычислительных методов.
«Простая библиотека РНК может содержать много скрытых слоёв, — сказал Вандивер. — С помощью этих новых высокотехнологичных подходов у нас есть способы извлекать больше информации из уже имеющихся данных».
«Это исследование — отличный пример того, насколько важны компьютерные анализы в биологических науках, — сказал Грегори. — Технологии действительно определяют, куда мы можем двигаться в науке в наши дни».
В текущих исследованиях команда из Пенсильвании пытается определить, как происходят эти модификации, являются ли они причиной или следствием маркировки молекул мРНК на деградацию, и далее изучить их функциональные последствия.