|
Объединив биохимические методы с новыми быстрыми технологиями секвенирования ДНК и компьютерным моделированием, ученые смогли изучить, как клетка превращает ДНК в РНК - молекулы, используемые в процессе синтеза белков, управляющих большинством биологических функций – с беспрецедентным разрешением. (Credit: Image courtesy of University of California – San Francisco)
Ученые из Университета Калифорнии – Сан-Франциско (University of California - San Francisco) разработали новый подход к расшифровке огромной информации, заключенной в геноме любого организма, одновременно пролив свет на то, как клеткам удается так точно интерпретировать свой генетический материал в процессе создания молекулярных посланий – РНК.
Объединив биохимические методы с новыми быстрыми технологиями секвенирования ДНК и компьютерным моделированием, ученые смогли изучить, как клетка превращает ДНК в РНК - молекулы, используемые в процессе синтеза белков, управляющих большинством биологических функций – с беспрецедентным разрешением: на уровне отдельных нуклеотидов. Этот фундаментальный биологический процесс они изучали на живой клетке, а не в лабораторной пробирке.
В результате исследователям удалось заполнить значительный пробел в понимании того, что заставляет гены включаться и выключаться. Их выводы опубликованы в журнале Nature.
Как известно, основным способом «считывания» генома клетки является его транскрипция в РНК. До последнего времени ученые могли определить, какие молекулы РНК уже синтезированы клеткой, но имели ограниченное представление о том, какая часть генома была для этого декодирована, или транскрибирована, и что определяет, насколько быстро синтезируются молекулы РНК. Новый подход (native elongating transcript sequencing, NET-seq) позволяет наблюдать за этим процессом непосредственно.
Профессор клеточной и молекулярной фармакологии UCSF Джонатан Вайссман (Jonathan Weissman). (Фото:weissmanlab.ucsf.edu)
«Наш метод позволяет захватывать клетки в процессе превращения ДНК в РНК с беспрецедентным разрешением», - комментирует значение разработанного им подхода профессор клеточной и молекулярной фармакологии UCSF Джонатан Вайссман (Jonathan Weissman), старший автор статьи. «Раньше, как правило, мы изучали конечный продукт. Теперь же мы можем наблюдать, как РНК-послания непосредственно синтезируются in vivo. Это достижение позволяет ученым разобраться в огромном объеме данных, полученных в рамках проекта «Геном человека» (Human Genome Project) и в ходе проводимого сейчас по всему миру секвенирования ДНК, создавая одновременно новые инструменты для изучения фундаментальных процессов, таких как перепрограммирование стволовых клеток».
«Геном – это жесткий диск клетки», - проводит сравнение доктор философии Л. Стирлинг Чёрчмен (L. Stirling Churchman), первый автор статьи. «До сих пор мы могли видеть содержащуюся на жестком диске информацию, а также результат ее считывания клеткой, но не знали, какие именно данные были для нее доступны. Теперь мы можем это видеть с достаточно высоким разрешением, позволяющим понять, как все это происходит в действительности».
Л. Стирлинг Чёрчмен (L. Stirling Churchman), PhD. (Фото: news.ucsf.edu)
До недавнего времени многие ученые считали, что фактически в РНК транскрибируется, и, следовательно, используется в деятельности клетки, менее 5 процентов генома. Последние достижения в этой области выявили огромную сложность этого процесса, показав, что транскрибируется большая часть ДНК. Тем не менее, значительная часть синтезированной РНК по-прежнему считается «мусорной» - просто побочным продуктом этого процесса.
«Теперь вопрос звучит по-другому: не «зачем там эта ДНК?», а «зачем там эта РНК?»», - объясняет Чёрчмен, физик-постдокторант UCSF. «Эта РНК вполне может быть и мусорной, но мы этого не знаем».
Исследователи сосредоточили свое внимание на транскрипции ДНК в клетках пекарских дрожжей, главным образом, потому, что геном этого организма уже в значительной степени изучен. Учеными разработаны его карты и определено расположение в нем нуклеосом. Нуклеосомы – структуры, образованные цепочками ДНК, намотанными, как виноградные лозы, на гистоновые белки, служащие для упорядочения чрезвычайно длинных молекул этого нуклеополимера.
На гистоновых белках, как известно, находится много знаков, диктующих, наряду с другими функциями, должен ли ген включаться или выключаться, и хранящих при этом историю того, что недавно произошло в этой части генетического кода, и «план» того, что должно произойти в будущем.
При наложении этих карт на созданные ими карты продукции РНК Вайссман и его коллеги впервые смогли наблюдать, что во время процесса транскрипции полимераза входит в непосредственный контакт с гистоновыми белками, а также увидеть, как функционируют нуклеосомы, выступая для фермента полимеразы во время его движения по геному в роли лежачего полицейского. Кроме того, исследование показало, что синтез «мусорной РНК» данной областью ДНК определяется организацией таких знаков на гистонах.
Новый подход дает исследователям точное представление о процессе в действии, а также понимание общих тенденций того, как гистоновые белки и их особенности влияют на процесс транскрипции.
По материалам
UCSF team views genome as it turns on and off inside cells
Аннотация к статье: Nascent transcript sequencing visualizes transcription at nucleotide resolution
Related Articles: |
