Назад
Важнейшая роль мессенджерной РНК во всех жизненных функциях вышла на первый план в прошлом году благодаря успешному внедрению мРНК-вакцин для борьбы с вирусом SARS-Cov-2.
В двух новых недавно опубликованных работах, ученые Йельского университета проливают свет на то, как рождаются мРНК и как они регулируют производство белков внутри наших клеток, когда те достигают зрелости. Полученные результаты имеют значение не только для создания новых вакцин, но и для определения биологических корней многих раковых и других заболеваний.
"Было очень интересно изучать начало и конец этого процесса", - говорит руководитель исследования Венди Гилберт, доцент кафедры молекулярной биофизики и биохимии.
В классическом учебнике биологии клетки точно копируют или транскрибируют гены, закодированные в ДНК, в мРНК, которые затем передают эти инструкции рибосоме - механизму внутри клетки, который производит белки, выполняющие почти все жизненные функции. Эта ключевая роль мРНК сделала молекулу главной целью исследований на протяжении десятилетий, включая исследования, которые привели к быстрому развитию мРНК-вакцин в борьбе против COVID-19. Вакцины, разработанные компаниями Pfizer и Moderna, содержат основанные на мРНК инструкции для клеток по производству белков, которые распознают шипы на поверхности вируса SARS-Cov-2, делая их мишенями для уничтожения иммунной системой.
Хотя РНК состоит всего из четырех нуклеотидов, ее структура и функции могут быть изменены в результате сложных биохимических взаимодействий с другими соединениями. Одним из таких соединений, изменяющих мРНК, является псевдоуридин - изомер, присутствие которого является ключом к эффективности мРНК-вакцин. Еще до пандемии лаборатория Гилберт обнаружила присутствие псевдоуридина в нормальной клеточной мРНК. В то время ей стало интересно, как именно создаются эти модификации мРНК и как они влияют на функцию мРНК.
В одном из новых исследований группа под руководством Николь Мартинес, постдокторанта из лаборатории Гилберт, обнаружила, что псевдоуридин играет ключевую роль в генезисе мРНК. Специалисты обнаружили, что псевдоуридин присутствует на самых ранних стадиях формирования мРНК. Исследователи обнаружили доказательства того, что он направляет сплайсинг генетического материала, создающего мРНК, которые, в свою очередь, регулируют активность генов, сообщается 19 января в журнале Molecular Cell.
Эти результаты проливают свет на происхождение заболеваний, связанных с вариантами псевдоуридина, таких как митохондриальная миопатия, нарушения пищеварения, умственная отсталость и других. Например, несколько видов рака были связаны с повышенным уровнем псевдоуридина, что позволяет предположить, что неправильный сплайсинг мРНК может провоцировать образование опухолей и метастазирование рака.
Во второй работе, опубликованной 17 января в журнале Cell Systems, исследователи Йельского университета изучили, как именно рибосомы узнают, сколько белков нужно производить на основе генетических инструкций, которые они получают от мРНК. Для исследования группа под руководством Рейчел Нидерер, научного сотрудника лаборатории Гилберт, разработала новую технологию под названием "прямой анализ таргетинга рибосом" (direct analysis of ribosome targeting - DART) для поиска регуляторных элементов, которые могут подстегивать и останавливать производство белков рибосомами. Манипулируя такими элементами в мРНК - в данном случае, в дрожжах - ученые смогли модифицировать производство белков в тысячу раз, сообщают они.
Способность точно управлять производством белков имеет непосредственное применение в регулировании доз в мРНК-вакцинах, таких как те, которые используются для борьбы с COVID, говорят исследователи. Их работа привела к получению гранта в размере 1,7 миллиона долларов от компании Pfizer для лаборатории Гилберт и Карсона Торина, доцента клеточной и молекулярной физиологии в Йельском университете. Гилберт подчеркнула, что технология также может быть применена для разработки любых белковых методов лечения множества заболеваний.
Nicole M. Martinez et al. Псевдоуридинсинтазы котранскрипционно модифицируют человеческую пре-мРНК и влияют на процессинг пре-мРНК (аннотация).
Псевдоуридин - это модифицированный нуклеотид, который широко распространен в мРНК человека и динамически регулируется. В данном исследовании мы изучаем, когда в своем жизненном цикле мРНК становятся псевдоуридилированными, чтобы осветить потенциальные регуляторные функции эндогенного псевдоуридилирования мРНК. Используя профилирование псевдоуридинов с однонуклеотидным разрешением на хроматин-ассоциированной РНК из клеток человека, мы выявили псевдоуридины в зарождающейся пре-мРНК в местах, связанных с альтернативно сплайсированными областями, обогащенных вблизи сайтов сплайсинга и перекрывающих сотни сайтов связывания РНК-связывающих белков.
Анализы сплайсинга in vitro установили прямое влияние отдельных эндогенных псевдоуридинов пре-мРНК на эффективность сплайсинга. Мы подтвердили, что сотни участков пре-мРНК являются прямыми мишенями различных псевдоуридиновых синтаз, и показали, что PUS1, PUS7 и RPUSD4 - три пре-мРНК-модифицирующие псевдоуридиновые синтазы с тканеспецифической экспрессией - контролируют широко распространенные изменения в альтернативном сплайсинге пре-мРНК и процессинге 3′-конца.
Наши результаты свидетельствуют о широком потенциале котранскрипционного псевдоуридилирования пре-мРНК для регулирования экспрессии генов человека посредством альтернативного процессинга пре-мРНК.
Rachel O. Niederer et al. Прямой анализ таргетинга рибосом позволяет выявить тысячекратную регуляцию инициации трансляции (аннотация).
Трансляционный контроль формирует протеом в нормальных и патофизиологических условиях. Современные высокопроизводительные подходы выявляют значительные различия в специфической активности трансляции мРНК, но не могут определить причинные особенности мРНК. Мы разработали прямой анализ таргетинга рибосом (DART) и использовали его для выявления регуляторных элементов в 5′ нетранслируемых областях, которые обеспечивают 1000-кратные различия в наборе рибосом в биохимически доступных клеточных лизатах. Используя DART, мы определили функциональную роль большинства альтернативных изоформ 5′ UTR, экспрессируемых в дрожжах, выявили общий способ увеличения трансляции через прямое связывание с основным фактором трансляции и идентифицировали многочисленные элементы трансляционного контроля, включая С-богатые сайленсеры, достаточные для репрессии трансляции как in vitro, так и in vivo.
DART позволяет систематически оценивать трансляционный регуляторный потенциал вариантов 5′ UTR, как нативных, так и связанных с заболеваниями, и облегчит инженерию мРНК для оптимизации производства белков в различных системах.
