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 / ©@tsarcyanide / Пресс-служба МФТИ
Работа опубликована в журнале Frontiers in Genetics.
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».
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.
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».
