Innowacyjna metoda odkrywa nowy poziom regulacji genów

Nowe badanie pokazuje, że technika ta może po raz pierwszy określić, jak często w materiale genetycznym (genomie) gatunku występuje zdarzenie molekularne zwane „cofaniem się” i dokładnie gdzie ono występuje.

Wyniki badania opublikowano w Internecie 9 lutego w czasopiśmie Molecular Cell i potwierdzają one teorię, że retrakcja stanowi powszechną formę regulacji genów, wpływającą na tysiące ludzkich genów, w tym wiele genów zaangażowanych w podstawowe procesy życiowe, takie jak podział i rozwój komórek w macicy.

Prace, prowadzone pod kierunkiem naukowców z Grossman School of Medicine na Uniwersytecie Nowojorskim, dotyczą genów, czyli odcinków molekularnych „liter” DNA ułożonych w określonej kolejności (sekwencji) w celu zakodowania planów większości organizmów. Zarówno u ludzi, jak i u bakterii pierwszy etap ekspresji genów, transkrypcja, zachodzi, gdy białkowa „maszyna” zwana polimerazą RNA II przesuwa łańcuch DNA, czytając instrukcje genetyczne w jednym kierunku.

W 1997, Doktor Jewgienij Nodler I publikuj kolegów papier Co pokazało, że polimeraza RNA może czasami przesuwać się do tyłu wzdłuż czytanej nici, co nazwali „cofaniem się”. Od tego czasu badania wykazały, że w żywych komórkach czasami dochodzi do retrakcji wkrótce po rozpoczęciu syntezy RNA przez polimerazę RNA lub gdy napotka ona uszkodzony DNA, aby zrobić miejsce dla nadchodzących enzymów naprawczych. Późniejsze prace sugerowały, że mechanizmy retrakcji i naprawy muszą działać szybko i ulegać rozproszeniu, w przeciwnym razie może zderzyć się z polimerazą DNA, powodując pęknięcia w niciach DNA, co prowadzi do śmierci komórki.

Teraz nowe badanie przeprowadzone przez zespół Nudlera z NYU Langone Health ujawniło, że ich nowa technologia, sekwencjonowanie mitotyczne dalekiego zasięgu (LORAX-seq), może bezpośrednio ujawnić, gdzie zaczynają się i kończą zdarzenia retrakcji. Uzupełniając poprzednie metody, które były pośrednie lub ograniczone, nowa metoda pokazuje, że wiele z tych zdarzeń cofa się dalej, niż wcześniej sądzono, a zatem trwa dłużej. Wyniki wskazują również, że DC często występuje w całym genomie, często występuje w pobliżu pewnych typów genów i ma funkcje wykraczające daleko poza naprawę DNA.

„Zaskakująca stabilność spadku na większych dystansach sprawia, że ​​jest prawdopodobne, że stanowi on szeroko rozpowszechnioną formę regulacji genów u gatunków, od bakterii po ludzi” – mówi Nodler, starszy autor badania i profesor Julie Wilson Anderson na UCLA. Katedra Biochemii i Farmakologii Molekularnej Na Uniwersytecie Nowojorskim Langone. „Jeśli dalsze prace rozszerzą nasze odkrycia na różne programy rozwojowe i stany chorobowe, odwrócenie może być bliższe epigenetyce, której odkrycie ujawniło zaskakującą nową warstwę regulacji genów bez zmiany kodu DNA”.

Centralność w życiu?

Polimeraza RNA II tłumaczy kod DNA na pokrewną substancję zwaną RNA, która następnie kieruje konstrukcją białek. Aby to zrobić, kompleks porusza się wzdłuż nici DNA w jednym kierunku, ale w niektórych scenariuszach cofa się. Poprzednie badania wykazały, że polimeraza RNA II wycofuje się, wyrzucając (wypychając) ze swojego wewnętrznego kanału koniec nici RNA, którą konstruowała na podstawie kodu DNA. Ponieważ przedłużona retrakcja jest podatna na powodowanie szkodliwych kolizji, uważa się, że transkrypcja jest szybko przywracana przez czynnik transkrypcyjny IIS (TFIIS), który sprzyja cięciu (rozszczepianiu) wytłaczanego „wstecznego” RNA. Toruje drogę polimerazie RNA II do wznowienia odczytu kodu forward.

Jednakże inne wcześniejsze badania wykazały, że gdy polimeraza cofa się na pewną odległość (na przykład 20 reszt DNA), wycofany RNA może wiązać się z kanałem, przez który jest wytłaczany, utrzymując go w stanie nienaruszonym na dłużej. Prawdopodobieństwo, że zablokowane i wycofane kompleksy zostaną uratowane przez rozszczepienie sterowane TFIIS, jest bardziej prawdopodobne, że opóźnią transkrypcję danego genu. Dało to podstawę do teorii, że odwracalność, oprócz odgrywania głównej roli w szlakach naprawy DNA, może zwiększać lub osłabiać funkcję genów jako głównego mechanizmu regulacyjnego.

Według naukowców TFIIS prawdopodobnie występuje w niskich stężeniach w żywych komórkach, konkurując z setkami innych białek o dostęp do regresywnego RNA i przecięcie go, aby umożliwić kontynuację transkrypcji. Zamiast tego w obecnym badaniu zespół zastosował wysokie stężenie oczyszczonego TFIIS (bez konkurencyjnych białek), aby precyzyjnie wyciąć dowolny fragment wstecznego RNA, niezależnie od tego, gdzie się on znajdował w kodzie genetycznym komórki. Dzięki temu fragmenty kodu stały się dostępne dla technologii odczytujących sekwencje kodu i dostarczających wskazówek na temat ich lokalizacji i funkcji.

Zespół badawczy odkrył również, że geny kontrolujące histony – „szpule” białkowe, wokół których owinięte są nici DNA w chromatynie regulujące ekspresję genów – są bardzo podatne na ciągły spadek. Autorzy sugerują, że stopień, w jakim to następuje, wraz z powiązanymi zmianami w transkrypcji określonych genów, może kontrolować czas akumulacji histonów na dużą skalę, potrzebnej podczas podziału komórki do odbudowy chromatyny. Sugerują również, że ciągły spadek może wpływać na terminową transkrypcję genów niezbędnych do rozwoju tkanek.

„Oprócz potencjalnych korzystnych funkcji, trwały spadek może również prowadzić do uszkodzenia DNA i innych wad genetycznych, które przyczyniają się do chorób” – mówi autor pierwszego badania Kevin Yang, absolwent w laboratorium dr Nodlera. „Przewidujemy, że pomiar spadku w kontekście starzenia się lub raka może pomóc nam zrozumieć, dlaczego komórkowa reakcja na stres i proliferacja komórek są upośledzone, a także zasugerować nowe podejścia terapeutyczne”.

Autorami badania z Wydziału Biochemii i Farmakologii Molekularnej Uniwersytetu Nowojorskiego Langone Health, obok Yanga i Nodlera, byli Aviram Rasouli, Vitaly Epshteyn, Cressida Martinez, Thao Nguyen i Ilya Shamowski. Nudler jest także badaczem w Instytucie Medycznym Howarda Hughesa. Badanie jest finansowane przez Fundację Rodziny Blavatnik, Instytut Medyczny Howarda Hughesa i Narodowy Instytut Zdrowia, granty R01GM126891 i T32 AI007180.