Новый взгляд на транскрипцию РНК и сплайсинг

Клетки часто создают компартменты для контроля важных биологических функций. Ядро — яркий пример; окружённое мембраной, оно содержит геном. Однако в клетках также существуют не ограниченные мембраной и более временные структуры, подобные каплям масла в воде. За последние два года эти капли (называемые «конденсатами») всё чаще признаются ключевыми игроками в контроле генов. Теперь команда учёных из Института Уайтхеда расширяет эту новую картину, обнаружив, что конденсаты играют роль в сплайсинге — важнейшем процессе, который готовит генетический код к трансляции в белок. Исследователи также раскрыли, как критически важный клеточный аппарат перемещается между разными конденсатами. Результаты команды опубликованы 7 августа в онлайн-выпуске журнала Nature.

«Конденсаты представляют собой настоящую смену парадигмы в том, как молекулярные биологи думают о контроле генов», — говорит старший автор Ричард Янг, член Института Уайтхеда и профессор биологии MIT. «Теперь мы добавили критически важный новый слой к этому пониманию, который улучшает наше представление как о сплайсинге, так и о главном транскрипционном аппарате — РНК-полимеразе II».

Лаборатория Янга находится на переднем крае изучения того, как и когда образуются конденсаты, а также их функций в регуляции генов. В текущем исследовании Янг и его коллеги, включая первых авторов Эрика Го и Джона Мантейгу, сосредоточились на ключевом переходе, происходящем при транскрипции генов — раннем этапе активации гена, когда РНК-копия создаётся на основе ДНК-матрицы. Сначала весь молекулярный аппарат, необходимый для синтеза РНК, включая крупный белковый комплекс РНК-полимеразу II, собирается у определённого гена. Затем специфические химические модификации РНК-полимеразы II позволяют ей начать транскрипцию ДНК в РНК. Этот переход от так называемой инициации транскрипции к активной транскрипции также включает другой важный молекулярный переход: по мере роста молекул РНК аппарат сплайсинга должен переместиться и выполнить свою работу.

«Мы хотели сделать шаг назад и спросить: "Играют ли конденсаты важную роль в этом переключении, и если да, то какой механизм может быть за это ответственен?"» — объясняет Янг.

Примерно три десятилетия было известно, что факторы, необходимые для сплайсинга, хранятся в компартментах, называемых спеклами. Однако оставалось неясным, играют ли эти спеклы активную роль в сплайсинге или являются просто хранилищами.

Используя конфокальную микроскопию, команда из Института Уайтхеда обнаружила конденсаты, заполненные компонентами аппарата сплайсинга, вблизи высокоактивных генов. Примечательно, что эти структуры демонстрировали сходные жидкообразные характеристики с конденсатами, описанными в предыдущих исследованиях лаборатории Янга и участвующими в инициации транскрипции.

«Эти находки указали нам, что здесь работают два типа конденсатов: один участвует в инициации транскрипции, а другой — в сплайсинге и элонгации транскрипции», — сказал Мантейга, аспирант лаборатории Янга.

Обнаружив два разных конденсата, исследователи задались вопросом: как критически важный транскрипционный аппарат, в частности РНК-полимераза II, перемещается из одного конденсата в другой?

Го, Мантейга и их коллеги обнаружили, что химическая модификация, а именно добавление фосфатных групп, служит своего рода молекулярным переключателем, который изменяет сродство белкового комплекса к определённому конденсату. С меньшим количеством фосфатных групп он ассоциирует с конденсатами для инициации транскрипции; когда добавляется больше фосфатов, он входит в конденсаты сплайсинга. Такое фосфорилирование происходит на одном конце белкового комплекса, который содержит специализированную область, известную как C-концевой домен (CTD). Важно, что CTD не имеет определённой трёхмерной структуры, и предыдущие работы показали, что такие внутренне неупорядоченные области могут влиять на то, как и когда определённые белки включаются в конденсаты.

«Хорошо задокументировано, что фосфорилирование действует как сигнал, помогающий регулировать активность РНК-полимеразы II», — говорит Го, постдок в лаборатории Янга. «Теперь мы показали, что оно также действует как переключатель, изменяющий предпочтение белка к разным конденсатам».

В свете своих открытий исследователи предлагают новый взгляд на компартменты сплайсинга, где спеклы служат в основном складами, хранящими тысячи молекул, необходимых для поддержки аппарата сплайсинга, когда они не нужны. Но когда сплайсинг активен, фосфорилированный CTD РНК-полимеразы II служит аттрактантом, притягивая необходимые материалы для сплайсинга к гену, где они нужны, и в конденсат сплайсинга.

По словам Янга, этот новый взгляд на контроль генов возник отчасти благодаря междисциплинарному подходу, объединяющему перспективы биологии и физики, чтобы понять, как свойства материи предсказывают некоторые молекулярные поведения, которые он и его команда наблюдали экспериментально. «Работа на стыке этих двух областей невероятно увлекательна, — говорит Янг. — Это даёт нам совершенно новый способ смотреть на мир регуляторной биологии».