Новый способ понять и предсказать сплайсинг генов | Новости Массачусетского технологического института

Хотя клетки сердца и клетки кожи содержат идентичные инструкции по созданию белков, закодированные в их ДНК, они способны заполнить столь разрозненные ниши, поскольку молекулярные механизмы могут вырезать и сшивать вместе различные сегменты этих инструкций, создавая бесконечно уникальные комбинации.

Изобретательность использования одних и тех же генов по-разному становится возможной благодаря процессу, называемому сплайсингом, и контролируется факторами сплайсинга; Какие факторы сплайсинга использует клетка, определяет, какие наборы инструкций она производит, что, в свою очередь, дает начало белкам, которые позволяют клеткам выполнять различные функции.

В открытом доступе документ, опубликованный сегодня в Природная биотехнологияИсследователи из факультета биологии Массачусетского технологического института наметили основу для анализа сложных взаимосвязей между последовательностями и регуляцией сплайсинга для изучения регуляторной активности факторов сплайсинга, создавая модели, которые можно применять для интерпретации и прогнозирования регуляции сплайсинга в разных типах клеток и даже в разных видах. Называется «Нокдаун-активность» и «Целевые модели из прогнозов аддитивной регрессии». КАТМАП использует экспериментальные данные о нарушении экспрессии фактора сплайсинга и информацию о том, с какими последовательностями взаимодействует фактор сплайсинга, чтобы предсказать его вероятные цели.

Помимо преимуществ лучшего понимания регуляции генов, сплайсинговые мутации — либо в сплайсируемом гене, либо в самом факторе сплайсинга — могут вызывать такие заболевания, как рак, изменяя способ экспрессии генов, что приводит к созданию или накоплению дефектных или мутировавших белков. Эта информация имеет решающее значение для разработки терапевтических методов лечения этих заболеваний. Исследователи также продемонстрировали, что KATMAP потенциально может быть использован для прогнозирования того, влияют ли синтетические нуклеиновые кислоты, многообещающий вариант лечения заболеваний, включая мышечную атрофию и эпилепсию, на сплайсинг.

Возмущающий сплайсинг

В эукариотических клетках, включая наши собственные, сплайсинг происходит после транскрипции ДНК с образованием РНК-копии гена, которая содержит как кодирующие, так и некодирующие области РНК. Некодирующие области интрона удаляются, а сегменты кодирующего экзона снова соединяются вместе, образуя почти окончательный проект, который затем можно транслировать в белок.

По словам первого автора Майкла П. Макгерка, постдока в лаборатории профессора Массачусетского технологического института. Кристофер БерджПредыдущие подходы могли дать усредненную картину регуляции, но не обязательно могли предсказать регуляцию факторов сплайсинга в определенных экзонах в определенных генах.

KATMAP опирается на данные секвенирования РНК, полученные в результате экспериментов по возмущению, которые изменяют уровень экспрессии регуляторного фактора, либо сверхэкспрессируя его, либо снижая его уровни. Последствия сверхэкспрессии или нокдауна заключаются в том, что гены, регулируемые фактором сплайсинга, должны демонстрировать разные уровни сплайсинга после возмущения, что помогает модели идентифицировать цели фактора сплайсинга.

Однако клетки представляют собой сложные взаимосвязанные системы, в которых одно небольшое изменение может вызвать каскад эффектов. KATMAP также способен отличать прямые мишени от непрямых, последующих воздействий, включая известную информацию о последовательности, с которой фактор сплайсинга может взаимодействовать, называемой сайтом связывания или мотивом связывания.

«В нашем анализе мы идентифицируем прогнозируемые мишени как экзоны, которые имеют сайты связывания для этого конкретного фактора в тех регионах, где, по мнению этой модели, они должны быть для воздействия на регуляцию», — говорит Макгерк, в то время как нецелевые объекты могут подвергаться воздействию возмущений, но не имеют подходящих сайтов связывания поблизости.

Это особенно полезно для сращивания факторов, которые не так хорошо изучены.

«Одна из наших целей при создании KATMAP заключалась в том, чтобы попытаться сделать модель достаточно общей, чтобы она могла понять, что ей нужно предполагать в отношении конкретных факторов, например, насколько сайт связывания должен быть похож на известный мотив или как регуляторная активность меняется с расстоянием сайтов связывания от сайтов сплайсинга», — говорит МакГерк.

Начинаем с простого

Хотя прогностические модели могут быть очень эффективными при представлении возможных гипотез, многие из них считаются «черными ящиками», а это означает, что обоснование, лежащее в основе их выводов, неясно. KATMAP, с другой стороны, представляет собой интерпретируемую модель, которая позволяет исследователям быстро генерировать гипотезы и интерпретировать закономерности сплайсинга с точки зрения регуляторных факторов, а также понимать, как были сделаны прогнозы.

«Я не просто хочу что-то предсказывать, я хочу объяснять и понимать», — говорит Макгерк. «Мы создали модель, чтобы учиться на существующей информации о сплайсинге и связывании, что дает нам биологически интерпретируемые параметры».

Чтобы разработать модель, исследователям пришлось сделать некоторые упрощающие предположения. KATMAP учитывает только один фактор сплайсинга одновременно, хотя факторы сплайсинга могут работать совместно друг с другом. Целевая последовательность РНК также может быть свернута таким образом, что фактор не сможет получить доступ к предсказанному сайту связывания, поэтому этот сайт присутствует, но не используется.

«Когда вы пытаетесь создать полную картину сложных явлений, обычно лучше начать с простого», — говорит МакГурк. «Модель, которая одновременно учитывает только один фактор сращивания, является хорошей отправной точкой».

Дэвид МакУотерс, еще один постдок в лаборатории Берджа и соавтор статьи, провел ключевые эксперименты для проверки и подтверждения этого аспекта модели KATMAP.

Будущие направления

Лаборатория Берджа сотрудничает с исследователями из Институт рака Дана-Фарбер применить KATMAP к вопросу о том, как факторы сплайсинга изменяются в контексте заболевания, а также с другими исследователями из Массачусетского технологического института в рамках грант MIT HEALS для моделирования изменений фактора сплайсинга в ответах на стресс. Макгерк также надеется расширить модель, включив в нее совместное регулирование факторов сращивания, которые работают вместе.

“Мы все еще находимся на исследовательской стадии, но мне бы хотелось иметь возможность применить эти модели, чтобы попытаться понять регуляцию сплайсинга при заболевании или развитии. С точки зрения вариаций факторов сплайсинга они взаимосвязаны, и нам необходимо понять обе”, – говорит Макгерк.

Бердж, профессор Ункаса (1923), и Хелен Уитакер, старший автор статьи, продолжат работать над обобщением этого подхода для создания интерпретируемых моделей для других аспектов регуляции генов.

«Теперь у нас есть инструмент, который может изучить характер активности фактора сплайсинга на основе типов данных, которые можно легко сгенерировать для любого интересующего фактора», — говорит Бердж, который также является заочным членом Института интегративных исследований рака Коха и ассоциированным членом Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда. «По мере того, как мы будем создавать больше таких моделей, мы сможем лучше сделать вывод, какие факторы сплайсинга изменили активность при болезненном состоянии, на основе транскриптомных данных, чтобы помочь понять, какие факторы сплайсинга вызывают патологию».