Небольшие молекулы создают систему безопасности для защиты генома: тысячи молекул РНК используют алгоритм поиска для идентификации и заглушки чужеродных генетических последовательностей в клетках.

Эти разнообразные малые молекулы РНК, известные как РНК, взаимодействующие с Piwi (piRNA), производятся различными животными, от насекомых и червей до млекопитающих, таких как мыши и люди. В новом исследовании, опубликованном 2 февраля в журнале Science, исследователи из Чикагского университета описывают, как пиРНК находят чужеродные генетические последовательности, чтобы заставить их замолчать.

Они также показывают, как эндогенные или «собственные» гены, которые должным образом принадлежат геному, идентифицируют себя, чтобы избежать этой дополнительной проверки.«Почти у каждого животного есть эти небольшие РНК, и они используют их в качестве ориентира для поиска целевых последовательностей и замалчивания их», — сказал Хенг-Чи Ли, доктор философии, доцент кафедры молекулярной генетики и клеточной биологии в Калифорнийском университете в Чикаго и старший автор новой книги. учиться. «Однако до сих пор было довольно загадочно, в чем заключалась их функция и почему их так много с такими разнообразными генетическими последовательностями».

База данных подозреваемыхРНК действует как посланник для выполнения инструкций, закодированных в ДНК, для производства белков, которые выполняют важные функции в организме. В новом исследовании Ли и его коллеги изучали пиРНК, продуцируемые клетками репродуктивной системы нематодного червя C. elegans, классического модельного организма, изучаемого учеными для понимания основных биологических процессов.РНК, взаимодействующие с Piwi, представляют собой тип малых РНК, которые связаны с так называемым механизмом Argonaute в клетках, которые ищут РНК-мишень и отключают ее.

РНК построена из тех же цепочек нуклеотидов, которые отражают последовательности ДНК, обозначенных одинаковыми знакомыми буквами A, C, G, U. Некоторым малым РНК необходимо точно соответствовать целевой последовательности, чтобы идентифицировать их, как охранник, ищущий конкретного человека. Другие малые РНК могут помечать гены с частичным совпадением, что больше похоже на поиск подозреваемого на основе общего описания.

Ученые не уверены, как именно пиРНК находят свои мишени, отчасти потому, что их очень много. Например, у нематоды, которую изучает Ли, более 15 000 пиРНК с различными нуклеотидными последовательностями.

Он задавался вопросом, почему их так много и какой цели они служат?«На самом деле непонятно, почему клетки должны продуцировать так много пиРНК. Они настолько разнообразны, что трудно понять, какая из них распознает какие РНК-мишени.

Связь слишком сложна», — сказал Ли.Когда Piwis распознают свою цель, они набирают набор еще меньших вторичных РНК, соответствующих последовательности в целевом сайте, таким образом отмечая ее для привлечения внимания.

Зная это, Ли и его команда создали синтетическую пиРНК с последовательностью, которой не было у червя, и отследили, где он создал свой маркер. Затем, исследуя различные последовательности, помеченные синтетической piRNA, они могли работать в обратном направлении, чтобы выяснить логику поиска совпадения.Оказывается, что piРНК нуждаются в довольно близком совпадении с частью последовательности, но они могут терпеть несколько несоответствий в остальной части.

Также выясняется, что у червей так много непарных Piwis, потому что это дает им набор инструментов из множества возможных комбинаций последовательностей, которые могут потребоваться для идентификации чужеродных РНК и их отключения. Вместо того, чтобы охранник разыскивал конкретного человека или кого-то вроде этого человека, у них есть целая база данных возможных подозреваемых, которых они могут выследить в случае необходимости.

Как избежать ложных срабатыванийНо как им избежать ложных срабатываний или ошибочно идентифицировать эндогенные гены «я», которые им принадлежат? Чтобы выяснить это, Ли и его коллеги сконструировали больше piRNA, которые могли бы распознавать несколько хорошо известных генов, принадлежащих к геному нематод. Но этот набор пиРНК вообще не подавлял и не влиял на функцию эндогенных генов, что означало, что они были каким-то образом устойчивыми.

Исследователи также обнаружили, что многие эндогенные гены имеют дополнительные повторяющиеся участки нуклеотидов А и Т, которые маркируют их как «собственные», а не чужеродные. Этот лицензионный сигнал служит удостоверением для идентификации гена, паспортом, показывающим, к какой системе piRNA он принадлежит.

«Мы продемонстрировали, что эндогенные гены способны противостоять системе piRNA с помощью системы лицензирования, и это действительно здорово», — сказал Ли. «Все, что им нужно сделать, это пометить себя сигналом« я »».Исследование проливает свет на основной механизм, который может влиять на фертильность животных.

Предыдущие исследования показали, что если в генах Piwi развиваются мутации, система piRNA может работать со сбоями. Затем, если вирусы или транспозоны вводят чужеродные элементы ДНК в зародышевую линию или репродуктивные клетки, производящие яйцеклетки и сперматозоиды, piРНК не могут их обнаружить и заставить замолчать.

Эти необнаруженные изменения могут привести к бесплодию и другим проблемам в репродуктивной системе.Практическое препятствие, которое не давало покоя биологам

Исследование также решает техническую проблему, которая десятилетиями мешала ученым C. elegans. Когда исследователи хотят изучить конкретный ген, они часто вносят небольшие изменения, чтобы специальная белковая метка, излучающая флуоресцентный свет, могла прикрепляться к белкам, продуцируемым их интересующим геном. Это хорошо работает в большинстве типов клеток, но в зародышевой линии система piRNA выявляет эти генетические изменения и отключает производство флуоресцентной метки.

Ли и его команда показали, как ученые могут этого не допустить. Достаточно отредактировать сайты, распознаваемые piRNA, они больше не смогут их найти, но гены по-прежнему будут функционировать таким же образом.

Исследователи также могут вставлять те же сигналы самовыражения в некодирующие участки ДНК, чтобы казалось, что изменения принадлежат эндогенным генам. Эти методы также позволят ученым использовать систему редактирования генов CRISPR-Cas9 для отслеживания изменений в зародышевой линии.

«Когда я впервые представил это на конференции, после моего выступления меня окружили около 30 ученых, просящих о помощи, чтобы они могли использовать наши алгоритмы для изучения своих любимых мишеней в половых клетках», — сказал Ли. «Это решает очень практическую проблему, которая не давала покоя биологам C. elegans в течение последних 20 лет».

Новости со всего мира