Новый метод выявляет структурные переключатели в РНК

Ученые из Университета Гронингена (Нидерланды) совместно с коллегами из Университета Торино (Италия) разработали метод визуализации и количественной оценки альтернативных структур молекул РНК. Эти альтернативные «формы» РНК могут иметь важное функциональное значение у вирусов и бактерий. Исследователи использовали алгоритм для быстрого анализа больших количеств химически модифицированных молекул РНК и расчета того, сколько различных свернутых конформаций присутствует. Этот метод был использован для идентификации консервативного структурного переключателя в РНК вируса SARS-CoV-2. Результаты опубликованы в журнале Nature Methods 22 февраля.

Помимо информации в последовательности нуклеотидов, важны 2D- и 3D-структуры молекул РНК. Существуют разные способы сворачивания, и некоторые из этих альтернативных конформаций влияют на функцию РНК. Яркий пример — рибопереключатели, регуляторные сегменты в некоторых бактериальных РНК, чья структура зависит от внешней среды и либо разрешает, либо блокирует трансляцию генов в белки.

Мутации

Структурные переключения между альтернативными конформациями могут быть важны для жизненного цикла вируса. «Динамическая структура РНК указывает на регуляторную систему», — говорит молекулярный генетик Дэнни Инкарнато. Поэтому команда создала метод поиска разных конформаций в экспериментальных данных.

Одноцепочечные молекулы РНК сворачиваются за счет спаривания нуклеотидных оснований. Это спаривание защищает основания от мутаций при химической модификации. Таким образом, техника мутагенеза может указывать на то, какие основания не спарены. Обратная транскрипция преобразует модифицированную РНК в ДНК, которая затем секвенируется для обнаружения модифицированных нуклеотидов, «считываемых» как мутации. «Процесс не очень эффективен, поэтому не все неспаренные основания будут мутированы», — поясняет Инкарнато. Это усложняет анализ мутаций и вывод о представляемых ими конформациях, особенно с учетом того, что один и тот же участок может сворачиваться несколькими способами. «Однако количество теоретически возможных структур намного больше, чем мы видим в реальности. Задача — найти их».

Визуальный осмотр и новый алгоритм

Существующие техники расчета присутствующих в молекуле РНК структур и их относительного количества частично зависели от визуального осмотра данных или были полностью автоматизированы, но, по мнению авторов, оставляли место для улучшений.

«Мы создали алгоритм, который может быстро анализировать огромное количество обратно транскрибированных молекул РНК», — говорит Инкарнато. По сравнению с предыдущими системами, их алгоритму требуется меньше информации для распознавания альтернативных конформаций, и он менее склонен к переоценке их количества. «Наш алгоритм более надежен и очень быстр».

Структуром и потенциальные применения

Поиск участков в молекулах РНК, способных принимать разные конформации (потенциальных переключателей), важен для понимания «РНК-структурома» и его влияния на вирусы и клетки. В вирусе такие переключатели могут стать мишенями для противовирусных препаратов. Также возможно, что рибопереключатели окажутся присутствующими в эукариотических и даже в клетках млекопитающих. «Некоторые мутации, которые до сих пор упускались из виду, поскольку не меняют последовательность кодируемых белков, могут вместо этого изменять структуру молекулы РНК. Следовательно, они могут играть важную роль в развитии рака».

В статье в Nature Methods в геноме SARS-CoV-2 было идентифицировано 22 региона, формирующих альтернативные конформации. «Замечательно, что в двух препринтах других групп некоторые из этих регионов подтверждены с использованием другой методики». Один из потенциальных переключателей особенно интересен: «Две конформации, участвующие в этом переключении, высококонсервативны среди коронавирусов, что означает их важность. Это делает их идеальной мишенью для противовирусных препаратов, нацеленных на РНК».