Как некоторые необычные молекулы рнк попадают в цель

Гены, которые кодируют белки - в общей сложности их более 20 тысяч - составляют лишь около 1% от полного генома человека.

Вся «система» в целом - не только гены, но и генетический мусор, и все остальное - наматывается и складывается многочисленными способами вокруг ядра каждой клетки.

Только подумайте о тех сложностях, с которыми сталкиваются белки и другие молекулы, например РНК, когда среди всего этого многообразия ведут поиск конкретного гена.

Группа исследователей во главе с биологом Митчеллом Гутманом (Mitchell Guttman) из Калифорнийского технологического института (Caltech) и Катрин Плат (Kathrin Plath) из Калифорнийского университета выяснили, как некоторые молекулы РНК пользуются своим положением в трехмерной смеси геномного материала, чтобы достигнуть нужной им цели. Исследование опубликовано в текущем выпуске журнала Science Express.

Результаты предполагают уникальную роль класса РНК, называемого lncRNA, которую Гутман и его коллеги из Массачусетского технологического института и Гарварда впервые описали в 2009 году. До тех пор эти lncRNA (длинные не кодируемые РНК) чаще всего игнорировались, потому что они лежат между генами, которые кодируют белки. Гутман и его коллеги показали, что lncRNA поддерживают, объединяют и организуют ключевые белки, участвующих в упаковке генетической информации для регулирования экспрессии генов, контролируя, например, судьбу клетки в некоторых стволовых клетках.

В новой работе исследователи обнаружили, что lncRNA может легко обнаружить и связаться с соседними генами. Затем с помощью белков, которые реорганизуют генетический материал, молекулы могут привлечь дополнительные родственные гены и перебраться в новые районы, выстраивая «отделение», в котором множество генов могут регулироваться одновременно.



«Теперь можно думать об этих lncRNA как о способе объединить гены, которые необходимы для выполнения некоторой функции, в единой физической области, а затем регулировать их в виде набора, а не по отдельности», говорит Гутман. «Они являются не только подпорками белков, но и организаторами деятельности генов».

Новая работа была сосредоточена на молекуле lncRNA под названием Xist. Она, как уже давно было известно, участвует в отключении одной из двух Х-хромосом у самок млекопитающих (это происходит для того, чтобы геном мог нормально функционировать). Совсем немного было известно о том, как Xist достигает этого глушения. Известно, например, что молекула связывается с Х-хромосомой, что она использует регулятор хроматина, чтобы помочь организовать и модифицировать структуру хроматина, и что некоторые отдельные области РНК делают всю эту работу возможной. Несмотря на это знание, на молекулярном уровне не было ясно, как Xist на самом деле находит свои цели и распространяется по Х-хромосоме.



Чтобы разобраться в этом процессе, Гутман и его коллеги разработали метод под названием RNA Antisense Purification (RAP). При его применении и путём секвенирования ДНК с высоким разрешением они получили возможность наблюдать, куда именно направляются различные lncRNA. Затем, работая с группой Плат в Лос-Анджелесе, они использовали свой метод, чтобы наблюдать в большом разрешении, как молекулы Xist активируются в недифференцированных стволовых клетках мышей и процесс глушения Х-хромосомы продолжается.

«Именно здесь наблюдается самое интересное. РНК вовсе не «тычется» повсюду, пытаясь отыскать свою цель, а обладает целенаправленным методом. Было ясно, что эта РНК фактически использует информацию о своём положении в пространстве, чтобы найти цели, которые были очень далеко от его положения внутри генома, но при этом располагались близко к РНК в трёхмерном пространстве».

Прежде чем Xist активирована, гены Х-хромосом распределяются по местам назначения. Но исследователи обнаружили, что как только Xist включена, она быстро притягивает гены, образуя облако. «И дело не только в том, что уровни экспрессии Xist становятся всё выше и выше», говорит Гутман. «Xist соединяет все связанные гены в физическую ядерную структуру, затем все они занимают одну территорию».

Медики обнаружили, что конкретный регион Xist, известный как A-повторяющийся домен (A-repeat domain) и являющийся важным для способности lncRNA заглушать гены Х-хромосом, также необходим для привлечения всех заглушаемых генов. Когда исследователи удалили домен, Х-хромосома не стала не активированной, поскольку заглушающий отсек не был сформирован.

Один из самых интересных аспектов нового исследования, по словам Гутмана, это его последствия, выходящие за пределы простого объяснения механизма работы молекул Xist. «В нашей работе мы много говорим о Xist, но результаты, вероятно, будут применимы и к другим lncRNA».

Он добавляет, что работа одной из первых предоставляет информацию для объяснения того, что делает lncRNA особенными. «lncRNA, в отличие от белков, на самом деле могут использовать свою геномную информацию – её содержание и расположение – чтобы действовать, объединить цели. Это делает их совершенно уникальными».