Как РНК-ген "выключает" целую хромосому
Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) выяснили, как обширный класс РНК-генов, называемых длинными некодирующими РНК (lncRNA), может регулировать ключевые гены. Изучая важную lncRNA под названием Xist, учёные определили, как эта РНК собирает группу белков и в итоге предотвращает наличие у женщин дополнительной функциональной X-хромосомы — состояния у женских эмбрионов, которое приводит к гибели на ранних стадиях развития. Эти результаты — первый случай, когда исследователи раскрыли детальный механизм действия lncRNA-генов.
"В течение многих лет мы думали о генах просто как о последовательностях ДНК, кодирующих белки, но эти гены составляют лишь около 1% генома. Геномы млекопитающих также кодируют многие тысячи lncRNA", — говорит доцент биологии Митч Гуттман, руководивший исследованием, опубликованным 27 апреля в журнале Nature. Эти lncRNA, такие как Xist, играют структурную роль, выступая в качестве каркаса, который собирает и организует ключевые белки, участвующие в клеточных и молекулярных процессах, таких как экспрессия генов и дифференцировка стволовых клеток.
Все самки рождаются с двумя X-хромосомами в каждой клетке. Однако, как и у самцов, им нужна только одна копия каждого гена X-хромосомы. Геном решает эту проблему, по сути "выключая" одну X-хромосому в каждой клетке. Предыдущие исследования показали, что Xist необходим для этого процесса, но его точный механизм оставался загадкой.
Чтобы понять, как работает Xist, Гуттман и его коллеги разработали новый метод RNA antisense purification with mass spectrometry (RAP-MS). Он позволил извлечь и очистить молекулы Xist lncRNA, а также белки, которые с ними взаимодействуют, из эмбриональных стволовых клеток мыши.
Применение этого метода к Xist выявило 10 специфических белков, взаимодействующих с ним. Три из них — SAF-A, LBR и SHARP — оказались необходимы для инактивации X-хромосомы. "Если вы потеряете любой из них, Xist не работает — он не сможет "заглушить" X-хромосому во время развития", — говорит Гуттман.
Дальнейший анализ показал, что эти три белка выполняют три различные, но важные роли:
- SAF-A помогает прикрепить Xist и все связанные с ним белки к ДНК X-хромосомы.
- LBR ремоделирует хромосому, делая её менее склонной к экспрессии.
- SHARP осуществляет само "глушение". Он приводит к исключению фермента РНК-полимеразы II из ДНК, предотвращая транскрипцию и экспрессию генов.
Эти открытия могут иметь клиническое применение. Поскольку система Xist может быть использована для инактивации других хромосом, её принципы потенциально можно применять как терапевтические агенты для нацеливания на дефектные пути при заболеваниях, например, на третью копию 21-й хромосомы у людей с синдромом Дауна.
"Мы начинаем разбираться в том, как работают lncRNA... Это другой тип регуляции, который мы раньше не видели в клетке — это огромный мир, о котором мы раньше ничего не знали", — добавляет Гуттман.