«Это загадка, которая обсуждалась в этой области на протяжении последних 40 лет», — сказала Анна Кашина, профессор биохимии Школы ветеринарной медицины Пенсильванского университета.Новые открытия Кашиной и его коллег дали неожиданный ответ. Различные функции этих белков определяются не их аминокислотными последовательностями, а их генетическим кодом.«Нам нравится называть это« молчаливым кодом », — сказала Кашина. «Наши результаты показывают, что те части генов, которые мы считаем неактивными, на самом деле кодируют очень важную функциональную информацию».
Исследователи обнаружили, что эти «тихие» различия в нуклеотидной последовательности, по-видимому, влияют на плотность рибосом, молекулярных машин, которые переводят РНК в белки. Такие различия могут позволить каждой индивидуальной форме актина играть различную роль в клетке.Кашина была соавтором работы, опубликованной в журнале eLife, с Паваном Ведулой Penn Vet, Сатоши Куросакой, Николае Адрианом Леу, Джунлинг Ван, Стефани Стерлинг и Давэй Донг и Юрием И. Вольфом и Светланой А. Шабалиной из Национального института здоровья.
Актин настолько распространен и необходим, что известен как «домашний белок». Это самый распространенный белок в большинстве клеток, и его различные формы играют роль во время миграции клеток, сокращения и развития мышц.
Какое-то время ученые считали, что разные формы функционально избыточны и существуют только для того, чтобы служить резервными копиями на случай, если одна из форм будет иметь дефект.Совсем недавно исследователи пришли к пониманию того, что формы не повторяются; некоторые локализуются в разных частях клеток, некоторые включены в разные части цитоскелета. А когда эти белки подделывают, результаты тоже разные.
Например, при недостатке β-актина мыши умирают на ранней стадии эмбрионального развития. Но мыши, лишенные γ-актина, хотя обычно меньше нормального и глухие, могут дожить до взрослого возраста.В отчете в Science за 2010 год группа Кашиной сделала шаг к пониманию того, что определяет эти различия.
Рассматривая модификацию белка, которая обычно существует только в? -Актине, они обнаружили, что причина, по которой она также не присутствует в -актине, связана с вариациями в кодирующей последовательности между двумя генами актина.«Мы хотели развить это, — сказала Кашина, — и решили проверить гипотезу:« Что, если их функциональные различия не имеют ничего общего с их аминокислотной последовательностью; что, если все дело в генах? »»
Исследователи воспользовались прецизионным редактированием генов, которое стало возможным благодаря системе CRISPR / Cas-9. В то время как две изоформы актина различаются только четырьмя аминокислотами, их кодирующие последовательности мРНК различаются почти на 13 процентов из-за «молчаливых» нуклеотидных различий, которые, тем не менее, кодируют одни и те же аминокислоты. Внося изменения только в пять нуклеотидов в гене? -Актина, они смогли трансформировать его так, чтобы его аминокислотный выход был точно таким же, как у белка -актина. Все, что отличало бы его, это молчащие нуклеотидные замены.
Редактирование гена сработало.
У мышей с такими изменениями не было белка? -Актина. Но в отличие от истинных нокаутов? -Актина они были полностью здоровыми и жизнеспособными, как если бы они обладали надлежащими пропорциями белков? -Актина и гамма-актина. Они выжили, чтобы размножаться, и в среднем имели такой же размер помета, что и нормальные животные.Исследователи провели тот же эксперимент, отредактировав ген γ-актина для кодирования белка α-актина, но смогли изменить только кодирующую последовательность для трех из четырех аминокислот.
Тем не менее, мыши, подвергшиеся этой частичной замене, также выглядели нормальными и здоровыми, несмотря на отсутствие белка γ-актина.В последующих экспериментах команда Кашиной обнаружила, что белки γ-актина, полученные из отредактированного гена α-актина, образуют нормальный цитоскелет и позволяют клетке мигрировать нормальным образом.
«Если для функции белка важна только нуклеотидная последовательность, то мышам не должно быть дела до того, какой у них белок», — сказала Кашина. «А мышам было все равно».Изучив механизм того, как последовательность ДНК может влиять на функцию белка, исследователи обнаружили, что плотность рибосом на? -Актиновой РНК более чем в тысячу раз выше, чем на γ-актиновой РНК, и действительно, все шесть генов актина имели различия в плотности рибосом.«Это говорит о том, что? -Актин может превращаться в белок, возможно, в тысячу раз быстрее, чем гамма-актин», — сказала Кашина.И любопытно, насколько широко может быть распространено это явление, исследователи искали семейства белков с почти идентичными членами, которые кодируются разными генами и имеют значительные различия в плотности рибосом в семействе.
Они обнаружили множество групп, которые были общими для геномов мышей, рыбок данио и человека.«Мы думаем, что эта форма функциональной регуляции — глобальное явление», — сказала Кашина, и ее лаборатория будет продолжать исследования в этой области.