МикроРНК человека всесторонне проанализировали — Naked Science
30.10.2019
ФизТех

МикроРНК человека всесторонне проанализировали

Матричные РНК передают информацию из генов в белки, в то время как микроРНК играют ключевую роль в регуляции работы генов. Ученые из МФТИ и Медико-генетического научного центра описали сложность взаимодействия микроРНК с матричной и другими РНК человека.

Рибонуклеиновая кислота
Рибонуклеиновая кислота / ©@tsarcyanide / Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в журнале Frontiers in Genetics.

Что такое микроРНК и белки-аргонавты? 

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — один из основных типов молекул, который реализует генетическую информацию в клетке. Принято выделять транспортные, рибосомальные и матричные РНК. Матричная РНК (мРНК) — посредник между хранилищем генов, дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК), и образующихся «из генов» молекул белков. Образуясь на матрице ДНК в ядре клетки, мРНК перемещается в цитоплазму и, в свою очередь, становится матрицей, на которой происходит синтез белков. Но белки получаются далеко не из всех синтезируемых клеткой молекул РНК, а приблизительно лишь из 2%. Например, кроме матричной РНК, клетка производит микроРНК длиной 18–25 нуклеотидов, на матрице которой белок не синтезируется. О таких РНК и пойдет речь.

В клетках микроРНК работают в комплексе с белками семейства аргонавтов (AGO). Такой небольшой микроРНК-AGO комплекс соединяется с мРНК в одной из ее частей. С какой мРНК и в какой ее части связаться, определяет микроРНК (для человека их известно примерно 2,5 тысячи). Белок AGO либо просто блокирует производство белка с мРНК, либо совсем уничтожает мРНК, «разрезая» ее. Таким образом, если комплекс микроРНК-AGO вступит во взаимодействие с определенными, парными для него мРНК, то белок с нее синтезироваться больше не сможет. В этом случае получается, что гены, которые кодировали эту мРНК, «замалчиваются», то есть микроРНК, «захватив» мРНК, повлияла на работу генов.

Поэтому, несмотря на то, что микроРНК напрямую взаимодействует с мРНК, под этим взаимодействием также подразумевают взаимодействие между микроРНК и геном, кодирующим эту мРНК. Подобное «замалчивание» — один из многих механизмов регуляции экспрессии генов. Под регуляцией экспрессии генов подразумеваются клеточные механизмы, позволяющие управлять производительностью того или иного гена: полностью или частично выключать или включать его работу. Неправильная регуляция экспрессии генов вследствие «поломки» в функционировании микроРНК может привести к патологиям, в том числе к развитию раковой опухоли.

Представление о взаимодействиях между мРНК и микроРНК сегодня далеко от полного. Для человека сейчас известно около 20 тысяч мРНК и 2,5 тысячи микроРНК. Однако четкого понимания, кто из них с кем соединяется — нет. В своей предыдущей работе исследователи показали, что компьютерные программы, предназначенные для предсказания взаимодействий микроРНК и мРНК, работают не лучшим образом.

В новой работе ученые решили совместить экспериментальные данные о количестве образующихся в клетке мРНК и микроРНК с данными о взаимодействии между ними для двух типов клеток человека. На примере этих данных они рассмотрели, как связано количество конкретной микроРНК в клетке с тем, как много парных ей мРНК производится в этой же клетке. Можно предположить, что чем больше микроРНК образуется, тем больше соединений она должна образовывать.

Оказалось, что это не так. Помимо этого, исследователи разбирались, сколько пар образуется и каким образом, то есть с одинаковыми или разными микроРНК. Говоря по-научному, генетики исследовали, как связаны уровень экспрессии и активность связывания для микроРНК и мРНК. Также они выяснили, как поведение таких пар зависит от типа клеток.

Ольга Плотникова, один из авторов работы, аспирантка МФТИ, рассказывает: «Наше исследование посвящено изучению взаимодействий микроРНК и генов. Известно, что микроРНК — это важные некодирующие малые РНК, которые регулируют экспрессию генов. Ранее мы опубликовали статью, где показали, что программы, которыми пользуются для предсказания взаимодействий микроРНК и генов, работают не очень хорошо. Поэтому нам хотелось получить полную картину взаимодействий микроРНК: кто, с кем и как. Для этого мы проанализировали две единственные на данный момент научные работы с экспериментальными данными по полному интерактому между микроРНК и генами в двух разных клеточных линиях человека.

Затем мы соотнесли эти данные с результатами других экспериментальных работ, где определялся уровень экспрессии микроРНК и мРНК в этих же клеточных линиях. Мы показали, что не все гены активно регулируются микроРНК, а потенциал регуляции микроРНК не зависит напрямую от уровня ее экспрессии. Мы также смогли сравнить, как отличаются микроРНК-взаимодействия в двух клеточных линиях». 

Методы 

Основная проблема экспериментального изучения микроРНК взаимодействий — лимитированность методов. Одна группа методов позволяет одним экспериментом проверить одно взаимодействие (так называемые Reporter assay), другая группа — выявить все места связывания с микроРНК, однако она не дает информации о том, какая именно микроРНК связывалась в этом месте (так называемые CLIP-методы). В методе CLIP фиксируется то, что соединилось с белком AGO, и «вытягивается» за этот белок для дальнейшего распознавания провзаимодействовашей мРНК. Таким образом, можно выявить все места связывания микроРНК-мРНК, но при этом не знать, какая из тысяч микроРНК провзаимодействовала.

Недавно были разработаны две близкие методики (методы CLASH и CLEAR-CLIP), которые являются усовершенствованными CLIP-технологиями. Эти методы очень сложны и на сегодняшний день применены только на двух раковых клеточных линиях человека: почек и печени. В данной работе также использовались данные о количестве образующихся мРНК и микроРНК в каждой из упомянутых клеточных линий (данные об экспрессии). Для выявления областей мРНК, где взаимодействие с микроРНК точно происходит, дополнительно ученые использовали экспериментальные данные 79 CLIP-экспериментов, которые не содержат информации о том, какая микроРНК взаимодействует, но позволяют подтвердить, что в данном месте есть взаимодействие с микроРНК. 

Результаты исследования 

In silico ученые доказали, что данные полного взаимодействия микроРНК и генов, полученные усовершенствованными CLIP-методами, в двух разных клеточных линиях человека похожи, и что их можно сравнивать. Было показано, что большая часть комплексов микроРНК — мРНК образуется малым количеством мРНК и микроРНК. Например, только 1–2% кодирующих генов образуют больше десяти различных взаимодействий. Также были выявлены интересные мРНК, которые проявляют «губчатый эффект» — такие мРНК связывались в разных частях мРНК с большим количеством микроРНК (>50). Кроме того, исследователям удалось выявить группу микроРНК, которые, с одной стороны, слабо экспрессируются, а с другой, имеют много взаимодействий. Такой результат не очевиден: кажется, что чем сильнее экспрессируется конкретная микроРНК, тем больше она будет соединяться с различными мРНК.

Другая часть научной работы была посвящена созданию коллекции надежных микроРНК-связывающих областей, то есть мест, где мРНК с микроРНК точно провзаимодействуют. Созданная на ее основе онлайн-программа (доступна по ссылке) анализирует, находится ли интересующая позиция в геноме определенного человека в месте связывания с микроРНК. Так программа позволяет выявить нарушение связывания с микроРНК и нарушение регуляции генов, а значит, и возможную причину наследственных заболеваний. В перспективе она может быть использована, например, при анализе генома больных.

Картирование полного взаимодействия микроРНК и генов человека может помочь в расшифровке молекулярных основ наследственных и приобретенных заболеваний. В сентябре этого года МФТИ, в составе консорциум на базе Курчатовского центра, прошел отбор на создание одного из трех Центров геномных исследований мирового уровня, предусмотренных национальным проектом «Наука».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 13:03
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

1 час назад
Александр Березин

Среди полностью привитых препаратом от центра «Вектор» процент заболевших Covid-19 слабо отличим от процента заболевших среди тех, кто не прошел вакцинацию. В то же время среди привитых другими вакцинами этот показатель в несколько раз ниже, чем среди непривитых.

3 часа назад
Сергей Васильев

Ученые показали, что удлинение суток ведет к более продуктивному фотосинтезу и, возможно, некогда помогло цианобактериям совершить кислородную революцию на древней Земле.

Позавчера, 13:03
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

28 июля
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

28 июля
Василий Парфенов

Компания Microsoft несколько лет назад намеревалась не изменять номер своей основной операционной системы для компьютеров — «десятка» должна была остаться с нами надолго. Однако очередное крупное обновление, по мнению маркетологов, очевидно, оказалось достойно новой цифры в названии ОС. Windows 11 принесет пользователям не только новые функции, улучшения безопасности и быстродействия, а также измененный дизайн, но и лишится некоторых привычных элементов. Хотя если кто-то и расстроится из-за этого, то скучать будет лишь по парочке из них.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: