Фрэнсис Крик, один из первооткрывателей структуры молекулы ДНК, назвал односторонний поток информации от ДНК к мРНК и белку «центральной догмой молекулярной биологии».Иегуда Бен-Шахар и его команда из Вашингтонского университета в Сент-Луисе обнаружили, что у некоторых мРНК есть побочная работа, не связанная с производством белка, который они кодируют.
Они также действуют как регуляторные молекулы, не позволяя другим генам производить белок, маркируя свои молекулы мРНК для разрушения.«Наши результаты показывают, что мРНК, которые, как обычно полагают, действуют исключительно как матрица для трансляции белков, также могут служить регуляторными РНК, независимо от их способности кодировать белок», — сказал Бен-Шахар. «Они не только посланники, но и сами по себе актеры».
Результаты были опубликованы 18 марта в новом журнале открытого доступа eLife.Хотя команда Бен-Шахара, в которую входили аспирант нейробиологии Синго Чжэн и соавторы Аарон ДиАнтонио и его аспирант Вера Валах, изучали тепловой стресс у плодовых мух, когда они сделали это открытие, он подозревает, что этот регуляторный механизм носит более общий характер.Будет обнаружено, что многие другие мРНК, в том числе важные для здоровья человека, регулируют уровни белков, отличных от тех, которые они кодируют. Понимание регуляции мРНК может помочь решить проблемы со здоровьем, которые не поддаются подходам, основанным на центральной догме Крика.
Регулируется ли экспрессия генов напрямую?Первоначальная цель Бен-Шахара заключалась в том, чтобы лучше понять, как организмы поддерживают свое физиологическое равновесие, когда им мешают изменения в окружающей среде.
По его словам, нейробиологи знают, что если вы нагреете нейроны в культуре, нейроны сработают быстрее. А если культура остынет, нейроны замедляются.
Однако нейроны в организме ведут себя иначе, чем в блюде. Обычно организм способен защитить свою нервную систему от теплового стресса, по крайней мере, в определенных пределах.
Но никто не знал, как они это сделали.Будучи ученым по плодовым мухам, Бен-Шахар знал, что у плодовых мух есть мутации, которые мешают им нейтрализовать тепловой стресс, и это послужило отправной точкой для его исследований.
Один из этих генов на самом деле называется эпилепсией, потому что мухи со сломанной копией этого гена особенно чувствительны к теплу. Повышение температуры даже на 10 градусов вызывает у них судороги. «Они схватываются очень быстро, за секунды», — сказал Бен-Шахар.
«Когда мы посмотрели на захват (sei), мы заметили, что есть еще один ген на противоположной цепи двухцепочечной молекулы ДНК, называемый карманником 29 (ppk29)», — сказал Бен-Шахар. Это было интересно, потому что коды захвата для белковых «ворот», которые выпускают ионы калия из нейрона, и карманные кражи 29 кодов для ворот, которые пропускают ионы натрия в нейрон.По его словам, нейроны являются «возбудимыми» клетками, потому что они жестко контролируют градиенты калия и натрия на своих клеточных мембранах. Быстрые изменения в этих градиентах заставляют нерв "стрелять", прекращать работу и переполяризоваться, так что он может снова стрелять.
Вскоре ученые показали, что транскрипция этих генов скоординирована. Когда мухам слишком жарко, они производят больше транскриптов гена sei и меньше гена ppk29. А когда мухи остыли, произошло обратное. Если бы в этом случае придерживалась центральной догмы, нейроны могли бы сдерживать воздействие тепла, изменяя экспрессию этих генов.
Однако одна проблема с этой идеей заключается в том, что транскрипция генов происходит медленно и мухи, помните, схватываются за секунды. Был ли этот механизм достаточно быстрым, чтобы успевать за внезапными изменениями в окружающей среде?Регулирует ли РНК-интерференция экспрессию генов?
Но ученые также заметили, что два гена немного перекрывают друг друга. Кончики, называемые 3 ‘UTR (нетранслируемые области), не кодируют белок, но транскрибируются в мРНК.Это заставило их задуматься.
Когда два гена транскрибируются в мРНК, два конца дополняют друг друга, как крючки и петли застежки-липучки. Подобно крючкам и петлям, они хотели бы слипаться, образуя короткий участок двухцепочечной мРНК. Они знали, что двухцепочечная мРНК активирует биохимический механизм, который разрушает любые молекулы мРНК с той же генетической последовательностью.
Двухцепочечная РНК связывается с белковым комплексом, называемым Дайсер, который разрезает ее на фрагменты. Другой белковый комплекс, RISC, связывает эти фрагменты.
Одна из цепей РНК удаляется, но другая остается связанной с комплексом RISC. Затем RISC и присоединенная к нему РНК становится ракетой с тепловым наведением, которая находит и уничтожает другие копии той же РНК.
Если молекулы мРНК исчезают, соответствующие им белки никогда не образуются.Оказалось, что тепловая чувствительность у мух — это все, что связано с калиевым каналом, сказал Бен-Шахар. Что, если, подумал он, две мРНК слиплись, сегмент мРНК, кодирующий калиевый канал, был связан с RISC, а другие копии мРНК калиевого канала были разрушены.
Это был еще один, потенциально более быстрый способ, которым нейроны могли бы контролировать возбудимость своих мембран.Дизайнерская муха дает ответЧто он? Регуляция происходит на уровне гена или мРНК?
Чтобы выяснить это, ученые создали плодовых мушек, у которых были различные комбинации генов и их липкие некодирующие концы. У одной из этих трансгенных линий мух отсутствовала часть гена, кодирующего белок ppk29, но все же было создано множество копий мРНК липкого кусочка на конце ppk29. Когда таких изолированных липких кусочков было много, уровни мРНК sei падали.
Эта муха была так же чувствительна к теплу, как и муха, у которой полностью отсутствовал ген sei.Эта комбинация генотипа и фенотипа была ответом на регуляторную проблему. Прежде всего, мРНК одного гена (ppk29) регулирует мРНК другого гена (sei). И, во-вторых, регуляторная часть ppk29 — это нетранслируемый бит на конце мРНК.
Когда этот бит прикрепляется к полной транскрипции гена sei (включая, конечно, его липкий бит), механизм RISC уничтожает любые копии найденной им мРНК sei.Таким образом, ген, кодирующий натриевые каналы, регулирует экспрессию гена калиевых каналов. И это происходит после того, как гены транскрибируются в мРНК; это мРНК-зависимая регуляция.
Бен-Шахар сказал, что взаимодействие между sei и ppk29 вряд ли будет уникальным. Калиевый канал высоко консервативен среди видов, и анализ последовательностей генома у мух и людей показывает, что два из трех генов мух для этого типа калиевого канала и три из восьми человеческих генов для этих каналов имеют перекрывающиеся 3′-концы UTR, просто как и sei и ppk29.Почему существует этот регуляторный механизм?
Бен-Шахар ненавидит обнародовать свои данные, но он указывает, что транскрибирование ДНК в мРНК — более медленный процесс, чем перевод мРНК в белок. Возможно, сказал он, нейроны поддерживают пул мРНК в готовности, и вмешательство мРНК — это способ быстро разрушить этот пул, чтобы предотвратить трансляцию дополнительной мРНК в белки, которые могут вызвать проблемы у организма.