Прорывная технология раскрывает секреты «обратного отслеживания» в регуляции генов

Новое исследование показывает, что этот метод может впервые определить, как часто молекулярное событие, называемое «обратным отслеживанием», происходит в генетическом материале (геноме) вида и где именно оно происходит.

Опубликовано в Интернете 9 февраля. молекулярная клетка, Результаты исследования подтверждают теорию о том, что реверсия представляет собой широко распространенную форму регуляции генов, затрагивающую тысячи генов человека, включая многие гены, участвующие в основных жизненных процессах, таких как деление клеток и развитие в утробе матери.

Работа, возглавляемая исследователями из Медицинской школы имени Гроссмана Нью-Йоркского университета, вращается вокруг генов, которые представляют собой участки молекулярных «букв» ДНК, расположенных в определенном порядке (последовательности), кодирующих схемы большинства организмов. И у людей, и у бактерий первый этап экспрессии генов — транскрипция — происходит, когда белковая «машина», называемая РНК-полимеразой II, перемещает цепь ДНК, считывая генетические инструкции в одном направлении.

В 1997 году доктор Евгений Нодлер и его коллеги опубликовали статью, в которой показано, что РНК-полимераза может иногда скользить назад по считываемой цепи — явление, которое они назвали «обратным движением». С тех пор исследования показали, что ретракция иногда происходит в живых клетках вскоре после того, как РНК-полимераза начинает синтез РНК, или когда она сталкивается с поврежденной ДНК, чтобы освободить место для поступающих ферментов восстановления. Последующие исследования показали, что механизмы ретракции и восстановления должны работать быстро и рассеиваться, иначе они могут столкнуться с ДНК-полимеразой и вызвать разрывы нитей ДНК, что приведет к гибели клеток.

Теперь новое исследование, проведенное командой Нудлера из NYU Langone Health, показало, что их новая технология, секвенирование расщепления на большие расстояния (LORAX-seq), может напрямую определять, где начинаются и заканчиваются события ретракции. Дополняя предыдущие методы, которые были косвенными или ограниченными, новый метод показывает, что многие из этих событий отодвигаются дальше, чем считалось ранее, и, следовательно, длятся дольше. Результаты также показывают, что ретрорегрессия часто происходит по всему геному, часто происходит рядом с определенными типами генов и имеет функции, выходящие далеко за рамки репарации ДНК.

Удивительная стабильность снижения на больших расстояниях позволяет предположить, что оно представляет собой широко распространенную форму регуляции генов у видов, от бактерий до человека. Если дальнейшая работа распространит наши открытия на различные программы развития и болезненные состояния, то отступление может быть ближе к эпигенетике, открытие которой выявило удивительный новый уровень регуляции генов без изменения кода ДНК.

Евгений Нодлер, доктор философии, старший автор исследования и профессор Джули Уилсон Андерсон кафедры биохимии и молекулярной фармакологии Нью-Йоркского университета в Лангоне.

Центральное место в жизни?

РНК-полимераза II переводит код ДНК в родственное вещество, называемое РНК, которое затем направляет построение белков. Для этого комплекс движется по нитям ДНК в одном направлении, но в определенных сценариях отступает. Предыдущие исследования показали, что когда РНК-полимераза II втягивается, она выталкивает (вытесняет) из своего внутреннего канала конец цепи РНК, которую она конструировала на основе кода ДНК. Поскольку длительная ретракция уязвима для возникновения вредных столкновений, считается, что транскрипция быстро восстанавливается с помощью транскрипционного фактора IIS (TFIIS), который способствует разрезанию (расщеплению) экструдированной «ретроградной» РНК. Это открывает путь РНК-полимеразе II к возобновлению чтения прямого кода.

Однако другие предыдущие исследования показали, что когда полимераза втягивается за пределы определенного расстояния (например, 20 остатков ДНК), втянутая РНК может связываться с каналом, через который она вытесняется, сохраняя его на месте дольше. Заблокированные и ретрактированные комплексы с меньшей вероятностью будут восстановлены посредством TFIIS-управляемого расщепления и с большей вероятностью будут задерживать транскрипцию рассматриваемого гена. Это привело к появлению теории о том, что обратимость, помимо того, что играет важную роль в путях репарации ДНК, может увеличивать или уменьшать функцию генов как ключевого регуляторного механизма.

По мнению исследователей, TFIIS, вероятно, встречается в низких концентрациях в живых клетках, конкурируя с сотнями других белков за доступ к регрессировавшей РНК и разрезание ее, чтобы транскрипция могла продолжаться. В текущем исследовании команда вместо этого использовала высокую концентрацию очищенного TFIIS (без конкурирующих белков), чтобы точно вырезать любой фрагмент ретроградной РНК, где бы он ни находился в генетическом коде клетки. Это сделало фрагменты доступными для технологий, которые считывают последовательности кода и предоставляют подсказки об их местоположении и функциях.

Исследовательская группа также обнаружила, что гены, которые контролируют гистоны — белковые «катушки», вокруг которых обернуты нити ДНК внутри хроматина, регулирующего экспрессию генов, — очень уязвимы к продолжающемуся упадку. Авторы предполагают, что степень, в которой это происходит, наряду с соответствующими изменениями в транскрипции специфических генов, может контролировать время крупномасштабного накопления гистонов, необходимого во время деления клеток для восстановления хроматина. Они также предполагают, что продолжающееся снижение может повлиять на своевременную транскрипцию генов, жизненно важных для развития тканей.

«Помимо своих потенциальных полезных функций, устойчивое снижение может также привести к повреждению ДНК и другим генетическим нарушениям, которые способствуют заболеванию», — говорит автор первого исследования Кевин Янг, аспирант лаборатории доктора Нодлера. «Мы ожидаем, что измерение снижения показателей в контексте старения или рака, например, может помочь нам понять, почему ухудшается клеточная реакция на стресс и пролиферация клеток, и предложить новые терапевтические подходы».

Наряду с Янгом и Нодлером, авторами исследования с кафедры биохимии и молекулярной фармакологии NYU Langone Health были Авирам Расули, Виталий Эпштейн, Крессида Мартинес, Тао Нгуен и Илья Шамовски. Нудлер также является исследователем в Медицинском институте Говарда Хьюза. Исследование финансируется Фондом семьи Блаватник, Медицинским институтом Говарда Хьюза и Национальными институтами здравоохранения, гранты R01GM126891 и T32 AI007180.