Как РНК-машинерия преодолевает препятствия в нашем геноме
Раньше учёные считали, что РНК-полимераза — фермент, запускающий синтез белка, транскрибируя ДНК в РНК, — работает как заводная игрушка: её помещают на стартовый участок ДНК, и она равномерно движется, создавая РНК-копию, пока не достигнет стоп-сигнала.
Сейчас стало ясно, что это представление было упрощённым.
«Это больше похоже на высокопроизводительный спортивный автомобиль, — говорит Стирлинг Чёрчмен, доцент генетики Гарвардской медицинской школы. — Ему нужно ускоряться, замедляться и справляться с препятствиями на пути».
Благодаря работе Чёрчмен и её коллег учёные теперь могут с высоким разрешением наблюдать, как РНК-полимераза преодолевает эту полосу препятствий в человеческих клетках.
Несколько лет назад Чёрчмен участвовала в разработке инструмента для измерения РНК под названием NET-seq и использовала его для изучения транскрипции генов у дрожжей с точностью до отдельных нуклеотидов («букв» ДНК). На этой неделе в журнале Cell Чёрчмен и её команда сообщили, что они адаптировали NET-seq для работы в человеческих клетках, что позволило сделать несколько новых открытий. Исследование возглавили два постдока по генетике из HMS, Андреас Майер и Джулия ди Юлио.
Новые детали транскрипции
Транскрипция генов лежит в основе практически всех процессов в наших клетках, но учёные до сих пор многого о ней не знают. Более глубокое понимание деталей улучшит знания о нормальной и патологической биологии — от дифференцировки клеток до рака.
Изменение скорости. Чёрчмен получила доказательства, что РНК-полимераза действительно резко меняет скорость в клетках. Ранее это лишь предполагали, изучая процесс в упрощённых системах вне клетки. Например, команда увидела, как полимераза замедляется прямо перед столкновением с факторами транскрипции — белками, которые помогают ей в работе.
«Лежачие полицейские» на важных участках. Ди Юлио обнаружила, что РНК-полимераза замедляется, когда проходит по участкам ДНК, которые позже войдут в состав конечного белка (многие части РНК-копии вырезаются, а оставшиеся сшиваются перед сборкой белка). Ранее этого никто не наблюдал. «РНК-полимераза каким-то образом определяла, что находится на ДНК, которая будет сохранена, — говорит Чёрчмен. — Мы увидели характерный паттерн пауз, похожих на лежачих полицейских, до и после этих сегментов ДНК. Пока мы не знаем, зачем они нужны и что их вызывает».
Эти «лежачие полицейские» нельзя было бы увидеть с помощью менее точного инструмента, так как изменения скорости были очень резкими, происходя в пределах десяти нуклеотидов.
Конвергентная транскрипция. Команда Чёрчмен также обнаружила свидетельства конвергентной транскрипции — ситуации, когда вторая «машина» РНК-полимеразы стартует дальше по гену и движется к его началу, что потенциально может привести к лобовому столкновению двух полимераз.
Ранее это наблюдали в определённых местах генома. Работа группы Чёрчмен показала, что такое происходит в 25% генов. Также было установлено, что конвергентная транскрипция чаще встречается в менее экспрессируемых генах.
Значение открытий
Полученные данные указывают на сложность процесса. «Речь идёт не просто о решении «включить» или «выключить» ген; существует множество других регулирующих «клапанов» в процессе создания РНК, — поясняет Чёрчмен. — В конечном счёте, это подчёркивает упрощённость наших текущих представлений о том, как происходит транскрипция».
По словам исследовательницы, это исследование лишь поверхностно затрагивает то, что NET-seq может помочь узнать о транскрипции генов. Но каждый шаг важен: «Каждый раз, когда мы узнаём о новом способе регуляции генов, это может повлиять на то, как мы разрабатываем терапевтические средства и как можем обращать вспять болезненные состояния».