В новом отчете журнала Plant Cell биологи Пенсильванского университета использовали материал как от людей, так и от растений для изучения химических модификаций информационной РНК или мРНК, обнаружив, что эти модификации, по-видимому, играют важную роль в процессе выживания мРНК. и превращаются в белок или становятся мишенями для разложения.Их анализ также показал, что мРНК, которые кодируют белки, участвующие в ответах на стресс, с большей вероятностью будут модифицированы, чем другие молекулы мРНК, что указывает на то, что модификации могут обеспечивать механизм, с помощью которого организмы могут динамически реагировать на посттранскрипционном уровне при столкновении с ними. с изменениями в их среде.Исследованием руководил Брайан Д. Грегори, доцент кафедры биологии Пенна в Школе искусств.
Наук, и Ли Э. Вандивье, аспирант лаборатории Грегори. Соавторами являются Рафаэль Кампос и Ян М. Сильверман из лаборатории Грегори, а также Павел П. Кукса и Ли-Сан Ван из Медицинской школы Перельмана Пенна.Снимок всех последовательностей РНК, присутствующих в организме одновременно, известен как транскриптом; В этом исследовании исследователи хотели изучить эпитранскриптом или модификации последовательностей молекул РНК, которые могут влиять на экспрессию генов.
Грегори является пионером новых методов исследования того, как регулируется РНК, включая метод, который идентифицирует сайты взаимодействия с РНК-связывающими белками, называемый PIP-seq. В этом исследовании он, Вандивье и его коллеги использовали другой метод, который Грегори и Ван совместно разработали, названный HAMR, для высокопроизводительного аннотирования модифицированных рибонуклеотидов.
Этот подход позволяет идентифицировать нуклеотиды в молекулах РНК, которые были модифицированы после транскрибирования с ДНК.«С этими изменениями вы увеличиваете потенциальные химические свойства, которые может иметь молекула РНК», — сказал Грегори. «Вместо того, чтобы иметь A, C, U и G, у вас есть почти все варианты, которые вы только можете придумать».Более ранняя работа обнаружила более 100 таких типов ковалентных модификаций, в первую очередь в молекулах РНК, которые не кодируют белки, таких как РНК переноса и рибосомная РНК.В этом исследовании, однако, исследователи хотели изучить модификации информационной РНК, временных молекул, ответственных за трансляцию определенной последовательности нуклеотидов в определенные аминокислотные последовательности для построения белков.
Используя метод HAMR, команда исследовала эпитранскриптом двух линий клеток человека, а также незрелых цветочных почек Arabidopsis thaliana, типичного модельного растительного организма. Они специально искали модификации, которые изменяют край спаривания оснований Уотсона-Крика или край, отвечающий за способность мРНК образовывать пары оснований.Они выполнили анализ HAMR на трех различных библиотеках РНК, собранных в ходе более ранних исследований: одна состоит из малых РНК, одна из полиаденилированных РНК, которые считаются стабильными, и одна из РНК, которая находится в процессе деградации.
Из трех наборов они обнаружили, что библиотека деградирующей мРНК имела преобладание модификаций по сравнению с двумя другими, предполагая, что модификации либо вызывали, либо были следствием маркировки для деградации.
«Люди, вероятно, не думали об этих модификациях, потому что они не думали о разложении молекул РНК», — сказал Грегори. «Но мы должны быть такими, потому что деградация молекулы РНК — это то, как вы ее регулируете. Когда вы хотите прекратить производство белка, вы разрушаете мРНК».В стабильных молекулах РНК исследователи обнаружили, что этот тип модификаций, как правило, обнаруживается в областях альтернативного сплайсинга, когда один ген может быть разрезан и склеен вместе в различных перестановках для кодирования множества различных вариантов белка.«Мы видим множество модификаций, которые лежат прямо над теми элементами внутри интрона, которые необходимы для сплайсинга», — сказал Вандивье. «Теоретически эти модификации могут вывести из строя оборудование для сварки.
Это то, что мы хотели бы изучить дальше, поскольку альтернативное сращивание может играть роль во многих человеческих заболеваниях».В качестве финального теста команда провела анализ, чтобы увидеть, какие типы мРНК были особенно обогащены для модификаций, взяв подмножество мРНК, которые, как было установлено, были изменены в ходе их анализа HAMR, и сравнив их с общим пулом экспрессируемых транскриптов мРНК.«Мы увидели значительное обогащение в этом подмножестве генов, которые участвуют в стрессовой реакции, а также в контроле клеточного цикла и апоптозе», — сказал Вандивье, предположив, что модификации, как у людей, так и у растений, связаны с генами, которые должны быть жестко регулируются и могут быть отмечены на предмет деградации, когда это необходимо.
Исследователи отметили, что их результаты, хотя и проливают свет, представляют собой верхушку айсберга, когда речь идет о потенциальной мощности изучения регуляции РНК с использованием высокопроизводительных и вычислительных методов.«Простая библиотека РНК может содержать множество скрытых слоев», — сказал Вандивье. «Благодаря этим новым высокотехнологичным подходам у нас есть способы извлечения данных, которые нам уже нужны, чтобы узнать больше».«Это исследование является прекрасным примером того, насколько важен компьютерный анализ в биологических науках», — сказал Грегори. «В наши дни технологии действительно продвигают нас туда, куда мы можем пойти вместе с наукой».
В текущих исследованиях команда Пенна пытается определить, как происходят эти модификации, являются ли они причиной или следствием того, что молекулы мРНК подвергаются разрушению, и дополнительно исследовать их функциональные последствия.