Новое исследование показывает, что новая технология может впервые определить, как часто и где именно происходит молекулярное событие, называемое «обратным отслеживанием», в генетическом материале (геноме) любого вида.
Опубликовано в Интернете 9 февраля в Молекулярная клетка, Результаты исследования подтверждают теорию о том, что возврат назад представляет собой широко распространенную форму регуляции генов, которая влияет на тысячи генов человека, в том числе многие из них участвуют в основных жизненных процессах, таких как деление клеток и развитие в утробе матери.
Работа, возглавляемая исследователями из Медицинской школы имени Гроссмана Нью-Йоркского университета, вращается вокруг генов — участков молекулярных «букв» ДНК, расположенных в определенном порядке (последовательности), кодирующих схемы большинства организмов. И у людей, и у бактерий первый этап экспрессии гена — транскрипция — происходит, когда белковая «машина», называемая РНК-полимеразой II, перемещается по цепи ДНК, считывая генетические инструкции в одном направлении.
В 1997 году доктор философии Евгений Нудлер и его коллеги опубликовали работу, в которой показано, что РНК-полимераза может иногда скользить назад по читаемой цепи — явление, которое они назвали «обратным отслеживанием». Исследования, проведенные с тех пор, показали, что обратный путь иногда происходит в живых клетках вскоре после того, как РНК-полимераза начинает синтез РНК или когда она сталкивается с поврежденной ДНК, чтобы освободить место для поступающих ферментов восстановления. Последующие исследования показали, что механизм отступления и восстановления должен работать быстро и рассеиваться, иначе он может столкнуться с ДНК-полимеразой, вызывая разрывы в цепях ДНК, вызывающие гибель клеток.
Теперь новое исследование, проведенное командой Нудлера из NYU Langone Health, показывает, что их новый метод, секвенирование длинного расщепления (LORAX-seq), может напрямую определять, где начинаются и заканчиваются события обратного отслеживания. Дополняя прошлые подходы, которые были косвенными или ограниченными, новый метод показывает, что многие такие события отходят назад дальше, чем предполагалось, и при этом длятся дольше. Результаты также показывают, что постоянное обратное отслеживание часто происходит во всех геномах, чаще происходит вблизи определенных типов генов и выполняет функции, выходящие далеко за рамки репарации ДНК.
Удивительная стабильность обратного движения на больших расстояниях позволяет предположить, что оно представляет собой повсеместную форму генетической регуляции у видов, от бактерий до человека. Если дальнейшая работа расширит наши выводы на различные программы развития и патологические состояния, возврат назад может быть сродни эпигенетике, открытие которой выявило удивительный новый уровень регуляции генов без изменения кода ДНК».
Евгений Нудлер, доктор философии, старший автор исследования и профессор Джули Уилсон Андерсон кафедры биохимии и молекулярной фармакологии Нью-Йоркского университета в Лангоне.
Центральное место в жизни?
РНК-полимераза II переводит код ДНК в родственный материал, называемый РНК, который затем направляет построение белков. Для этого комплекс движется вниз по цепочкам ДНК в одном направлении, но в определенных сценариях возвращается назад. Предыдущие исследования показали, что, когда РНК-полимераза II возвращается назад, она вытесняет (вытесняет) из своего внутреннего канала кончик цепи РНК, которую она построила на основе кода ДНК. Поскольку длительное обратное отслеживание склонно вызывать вредные столкновения, считается, что транскрипция быстро восстанавливается с помощью транскрипционного фактора IIS (TFIIS), который способствует отрезанию (расщеплению) экструдированной, «обратной» РНК. Это открывает путь РНК-полимеразе II к возобновлению прямого считывания кода.
Другие, более ранние исследования, однако, показали, что когда полимераза возвращается за пределы определенного расстояния (например, 20 строительных блоков нуклеиновых оснований ДНК), отступающая РНК может прикрепляться к каналу, через который она вытесняется, удерживая ее на месте дольше. Заблокированные комплексы с обратным маршрутом с меньшей вероятностью будут восстановлены посредством TFIIS-управляемого расщепления и с большей вероятностью задержат транскрипцию задействованного гена. Это привело к теории о том, что возврат назад, помимо того, что он играет ключевую роль в путях восстановления ДНК, может усиливать или ослаблять действие генов как основного регуляторного механизма.
По мнению исследователей, TFIIS, вероятно, встречается в низких концентрациях в живых клетках и конкурирует с сотнями других белков, чтобы добраться до РНК и отрезать ее, чтобы транскрипция могла продолжаться. В текущем исследовании команда вместо этого использовала высокую концентрацию очищенного TFIIS (без конкурирующих белков), чтобы точно вырезать любой фрагмент РНК с обратным маршрутом в любом месте генетического кода клетки. Это сделало вырезанные фрагменты доступными для технологий, которые считывают последовательности кода и предоставляют подсказки об их местоположении и функциях.
Исследовательская группа также обнаружила, что гены, которые контролируют гистоны – белковые «катушки», которые цепи ДНК обертывают внутри хроматина, который организует экспрессию генов – очень склонны к постоянному обратному отслеживанию. Авторы предполагают, что степень, в которой это происходит, с соответствующими изменениями в транскрипции определенных генов, может контролировать время крупномасштабного накопления гистонов, необходимого во время деления клеток для восстановления хроматина. Они также предполагают, что постоянное обратное отслеживание может влиять на своевременную транскрипцию генов, жизненно важных для развития тканей.
«Помимо своих потенциально полезных функций, постоянное обратное отслеживание может также привести к повреждению ДНК и другим генетическим сбоям, которые способствуют заболеванию», — говорит автор первого исследования Кевин Янг, аспирант лаборатории доктора Нудлера. «Мы предполагаем, что измерение обратного отслеживания, например, в контексте старения или рака может помочь нам понять, почему возникают сбои в реакции клеточного стресса и репликации клеток, а также предложить новые подходы к лечению».
Наряду с Янгом и Нудлером, авторами исследования с кафедры биохимии и молекулярной фармакологии NYU Langone Health были Авирам Расули, Виталий Эпштейн, Крисейда Мартинес, Тао Нгуен и Илья Шамовский. Нудлер также является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза. Исследование финансируется Фондом семьи Блаватник, Медицинским институтом Говарда Хьюза и грантами Национального института здравоохранения R01GM126891 и T32 AI007180.
Источник:
NYU Langone Health / Медицинская школа Гроссмана Нью-Йоркского университета
Ссылка на журнал:
Ян, КБ, и другие. (2024). Устойчивость обратного отслеживания человеческой РНК-полимеразой II. Молекулярная клетка. doi.org/10.1016/j.molcel.2024.01.019.
2024-02-10 02:26:00
1707532563
#Революционная #технология #раскрывает #секреты #обратного #отслеживания #регуляции #генов