Молекулы длинных некодирующих РНК в качестве энхансерных элементов генов

Несмотря на достигнутые в расшифровке генома успехи, ученые считают, что 95 процентов нашей ДНК представляет собой terra incognita генетики. Исследователи из Института Вистара (Wistar Institute) пролили свет на эту часть генома, открыв способность длинных некодирующих РНК (ncRNA) активировать экспрессию генов. Ученые считают, что молекулы длинных нкРНК могут представлять собой так называемые энхансерные элементы – короткие участки ДНК, способные усиливать транскрипцию генов. Хотя о существовании генных энхансеров известно не один десяток лет, среди ученых нет консенсуса относительно того, как они работают.

Последние открытия исследователей из Института Вистара увеличивают растущее число доказательств того, что «центральная догма» генетики не является полной. Согласно ей хромосомная ДНК транскрибируется в РНК, которая затем транслируются клеткой в белки. Однако за последние годы ученые установили, что в белки транслируются не все транскрибированные молекулы РНК. Действительно, исследования показали, что целые куски генома транскрибируются по неизвестным причинам.

В настоящем исследовании ученые определили 3000 длинных нкРНК и установили, что в целом в ДНК может существовать от 10 до 12 тысяч длинных некодирующих РНК-последовательностей. Это количество сопоставимо с 20000 генов, кодирующих белки. Большинство длинных нкРНК закодировано в ДНК вблизи генов, важных для стволовых клеток и развития рака. Это наблюдение предполагает, что нкРНК могут рассматриваться в качестве мишени в новых стратегиях замедления ракового роста.

«Мы рады, прежде всего, потому, что это новое открытие касается самой природы человеческой ДНК. Это новый класс генетических объектов и новый тип генетической регуляции», - говорит доктор медицины и философии Рамин Шихаттар (Ramin Shiekhattar), главный автор исследования. «Во-вторых, мы, возможно, частично раскрыли великую тайну современной генетики. Эти длинные нкРНК-последовательности могут объяснить активность энхансерных элементов, которые хотя и хорошо изучены, но никогда не были полностью охарактеризованы».

Почти три года назад, работая в Центре геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне, Испания, Шихаттар начал перспективную «охоту» на некодирующие РНК-последовательности, используя базу данных по геному человека проекта GENCODE. В конечном итоге он обнаружил около 3000 длинных нкРНК-последовательностей. В то время GENCODE имел информацию только о третьей части генома, поэтому Шихаттар считает, что их, вероятно, больше.

Исследователи нанесли сайты нкРНК на карту генома и обнаружили, что нкРНК, как правило, расположены вблизи генов, оказывающих влияние на дифференциацию стволовых клеток. Затем Шихаттар и его коллеги разработали новые тесты для проверки на нкРНК-последовательности клеточных культур и обнаружили, что нкРНК широко распространены в различных типах клеток.

Идея о том, что молекулы РНК могут иметь ДНК-регулирующий эффект, является широко признанной. Науке, например, известны более 1000 так называемых микроРНК, способность которых подавлять экспрессию генов хорошо изучена. Шихаттар предположил, что длинные нкРНК также будут подавлять гены, а не способствовать их активации. К своему удивлению, ученые обнаружили, что удаление из клетки нкРНК фактически снижало степень экспрессии соседних с ними генов, таким образом, выявляя их роль в усилении экспрессии.

В самом деле, удаление из взрослых стволовых клеток длинной нкРНК, известной как нкРНК-активирующая7 (ncRNA-a7), привело к тем же последствиям, что и удаление белка соседнего гена Snai, регулирующего миграцию клеток. Дальнейшие исследования показали, что введение нкРНК рядом с геном люциферазы – фермента, ответственного за свечение светлячков – увеличивало количество вырабатываемого этим геном белка в выращенных в культуре клетках. Хотя не все длинные нкРНК могут функционировать как энхансеры, большинство из тех, что изучила группа Шихаттара, играют именно эту роль.

 

 

Хотя длинные некодирующие РНК (нкРНК) составляют большую часть транскриптома млекопитающих, их биологические функции остаются нераскрытыми. Некоторые хорошо изученные длинные нкРНК подавляют экспрессию гена в таких процессах, как X-инактивация и импринтинг. Чтобы охарактеризовать свыше тысячи длинных нкРНК, экспрессирующихся в различных клеточных линиях, ученые использовали данные о геноме человека, полученные в проекте GENCODE. Неожиданно они обнаружили, что ряд таких длинных нкРНК в различных линиях человеческих клеток проявляет функции энхансеров генов. Снижение в клетке количества нкРНК приводило к снижению экспрессии соседних с ними белок-кодирующих генов, включая главный регулятор кроветворения, SCL (известный также как TAL1), Snai1 и Snai2. Полученные результаты выявляют роль класса длинных нкРНК в активации важнейших регуляторов развития и дифференциации клеток. (Image: cell.com)

 

 

«Мы знаем, что длинные нкРНК могут способствовать экспрессии гена, но что нам нужно узнать теперь, это как они это делают», - говорит Шихаттар. «Это и является объектом нашего настоящего исследования».

Работа финансировалась Национальным институтом здравоохранения (National Institutes of Health) США, Американо-итальянским фондом исследования рака (American Italian Cancer Foundation) и Датским советом независимых исследований (Danish Council for Independent Research).

 

 

По материалам

Wistar researchers discover new class of objects encoded within the genome