«Апостериори»: Клетки могут собирать новые белки из частей разных генов
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Учёные обнаружили новый механизм, который позволяет клеткам млекопитающих создавать белки, объединяя информацию из разных генов.
Обычно информация для производства белка сначала копируется с определённого участка ДНК в молекулу матричной РНК, или мРНК. Затем эта молекула может подвергаться сплайсингу: одни её участки удаляются, а оставшиеся соединяются между собой. Благодаря этому из одного и того же гена клетка может получать несколько вариантов мРНК и, соответственно, несколько вариантов белка.
Однако исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, что возможен и другой вариант. Клетка может соединять участки РНК, полученные от двух разных генов, и создавать из них единую инструкцию для производства нового белка. Причём исходные гены могут находиться даже на разных хромосомах.
Такой процесс называется транс-сплайсингом. Он известен у некоторых одноклеточных организмов и беспозвоночных, однако у здоровых млекопитающих существование функциональных химерных РНК долгое время оставалось под сомнением. Подобные молекулы находили, например, в раковых клетках, но там они часто связаны с перестройками самой ДНК, при которых разные гены физически объединяются.
Кроме того, обнаружить настоящую химерную РНК технически сложно. Большинство традиционных методов секвенирования сначала превращают РНК в ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы. Во время этого процесса фермент иногда может случайно переключиться с одной молекулы РНК на другую. В результате уже во время подготовки образца возникает искусственная последовательность, которая выглядит так, будто клетка сама соединила два разных гена. Стандартные алгоритмы анализа также часто отбрасывают подобные последовательности, поскольку разные их части соответствуют разным участкам генома. Поэтому отличить реальные химерные РНК от ошибок измерения было сложно.
Авторы новой работы использовали прямое секвенирование длинных молекул РНК. Этот метод позволяет считывать саму РНК без предварительного превращения в ДНК и тем самым исключить один из основных источников ошибок. Исследователи изучали макрофаги – клетки иммунной системы – в обычном состоянии и при различных вариантах активации.
Первоначально в макрофагах мышей обнаружили десятки тысяч потенциальных химерных РНК. Затем исследователи проверили наиболее интересные варианты несколькими независимыми методами. Более ста химерных РНК удалось подтвердить с помощью NanoString, а некоторые – также с помощью ПЦР и секвенирования по Сэнгеру.
Авторы подробно изучили одну из таких молекул, состоящую из частей двух генов, расположенных у мышей на разных хромосомах. Особенно активно эта химерная РНК образовывалась при воспалении.
Оказалось, что воспаление меняет пространственное расположение ДНК внутри ядра клетки. Хотя разные гены находятся на разных хромосомах, соответствующие участки ДНК могут сближаться в пространстве ядра. Вероятно, такое сближение позволяет клеточному аппарату сплайсинга соединять РНК, синтезируемые из разных генов. Подавление белка CTCF, участвующего в организации трёхмерной структуры генома, нарушало этот процесс и уменьшало образование химерной РНК. При этом перестройки самой ДНК исследователи не обнаружили.
Интересно, что такая РНК оказалась не просто случайным побочным продуктом работы клетки. Исследователи выяснили, что она используется для производства ранее неизвестного белка GSDMD–TMEM106A. То есть соединение РНК от двух разных генов действительно создаёт новую молекулу, способную влиять на функции клетки.
Новый белок оказался связан с работой инфламмасом – белковых комплексов, запускающих воспалительную реакцию. Один из участников этого процесса, газдермин D, при активации расщепляется. Его фрагменты собираются в мембране клетки и образуют поры, через которые высвобождаются воспалительные молекулы, в том числе интерлейкин-1-бета. Химерный белок также располагается на клеточной мембране и взаимодействует с обычным газдермином D, ускоряя образование этих пор.
Это одновременно усиливает защиту организма и делает воспаление потенциально более опасным. Мыши, у которых производство химерного белка было заблокировано, хуже справлялись с заражением сальмонеллой: в их печени и селезёнке обнаруживали больше бактерий. Но при экспериментально вызванном сепсисе отсутствие этого белка, напротив, повышало выживаемость. В другом эксперименте введение химерной мРНК усиливало защиту от бактерий, но одновременно делало воспалительную реакцию при сепсисе тяжелее.
Пока исследователи подробно изучили функцию только одной такой химерной РНК. Более того, её аналог в исследованных человеческих макрофагах обнаружить не удалось. Однако сами химерные РНК были найдены и у человека, а для 33 из них исходные гены совпадали у людей и мышей. Поэтому теперь один из главных вопросов – насколько распространён этот механизм в разных типах клеток и сколько таких молекул действительно используется для производства функциональных белков.
Если окажется, что такие случаи многочисленны, результат может изменить представление о том, как клетки используют записанную в геноме информацию. Разнообразие белков определяется не только количеством генов и различными способами сплайсинга внутри каждого из них: клетка потенциально может создавать дополнительные белки, комбинируя информацию из разных участков генома. Авторы считают, что разработанный ими подход теперь можно использовать для систематического поиска таких химерных РНК и изучения их функций.