Исследователи из НИУ ВШЭ и ИБХ РАН обнаружили, что распространенный метод изучения генов, основанный на сверхэкспрессии микроРНК, может приводить к ошибочным результатам. Метод активно используется при изучении различных патологий, в частности онкологических заболеваний. Ошибки в экспериментах могут вести к неверным выводам, влиять на диагностику и ход лечения заболевания.
Образование микроРНК после разрезания ферментом Dicer в зависимости от длины последовательности / © Diana Maltseva, at el. Incautious design of shRNAs for stable overexpression of miRNAs could result in generation of undesired isomiRs, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Gene Regulatory Mechanisms, Volume 1867, Issue 3, 2024
Результаты исследования опубликованы в журнале BBA. Работа исследователя — это не только постоянный поиск нового, но и внимание к конвенциональным, устоявшимся знаниям. Случается, что у надежных и, казалось бы, проверенных методов обнаруживаются свойства, на которые раньше не обращали внимания.
Группа исследователей под руководством Александра Тоневицкого, декана факультета биологии и биотехнологии НИУ ВШЭ, выявила особенности метода сверхэкспрессии микроРНК. Ученые обнаружили, что в некоторых случаях результаты эксперимента с использованием этого метода могут быть неверными, но выявить ошибки очень сложно.
МикроРНК — это маленькие молекулы РНК длиной примерно от 20 до 25 нуклеотидов. Они играют важную роль в регуляции экспрессии генов, то есть определяют, сколько белка будет синтезировано в клетке с конкретной молекулы матричной РНК (мРНК). Такая регуляция возможна благодаря короткому фрагменту внутри микроРНК, который может связываться с молекулой-мишенью мРНК, если находит в ней обратно комплементарный (биологически соответствующий) участок. Когда это происходит, с мРНК перестает считываться белок, и экспрессия гена снижается.
При развитии заболеваний, в том числе онкологических, наблюдается изменение уровня экспрессии микроРНК. В частности, при раке предстательной железы увеличивается число микроРНК miR-93-5р, причем более высокий уровень их экспрессии связан с большей агрессивностью этого типа рака. Значительно повысив количество микроРНК в клетках в лабораторных условиях, можно увидеть более четкую картину того, с изменением каких процессов в клетках связано увеличение экспрессии этой микроРНК.
Для сверхэкспрессии микроРНК часто используется следующий подход: сначала в клетках увеличивается количество РНК-предшественника — молекулы большей длины, из которой затем в результате ее обрезания специальным ферментом Dicer образуется микроРНК. Это естественный для клетки процесс. Однако от того, насколько точно Dicer разрежет молекулу-предшественника, зависит, какая именно последовательность микроРНК образуется в результате.
Авторы статьи обратили внимание на то, как фермент Dicer разрезает молекулу. Ученые закодировали нужную им последовательность в молекуле-предшественнике и предположили, что именно ее отрежет Dicer. Но оказалось, что Dicer не всегда работает так, как нужно ученым: фермент преимущественно действует по принципу молекулярной линейки и отмеряет всегда одну и ту же длину — 22 нуклеотида.
В процессе синтеза молекулы-предшественника в конце последовательности обязательно добавляется один или несколько урацилов (азотистое основание, характерное для РНК). В результате, если заданная последовательность микроРНК длиннее 19 нуклеотидов, Dicer из-за добавленных урацилов разрезает молекулу не там, где предполагалось в эксперименте. Такой сдвиг приводит к появлению вариативных форм микроРНК (изоформ).
Чтобы доказать причину смещения положения разрезания молекулы-предшественника, ученые в эксперименте задали несколько последовательностей микроРНК разной длины, в том числе цепочку длиной 23 нуклеотида, соответствующую микроРНК miR-93-5p. С помощью секвенирования — метода, позволяющего полностью прочитать последовательность нуклеотидов в молекуле РНК или ДНК, — они увидели, что из-за добавленных урацилов в цепочках длиннее 19 нуклеотидов положение разрезания сдвигается.
Образование изоформ микроРНК miR-93-5p приводило к снижению экспрессии гена HMGA1, который вовлечен в нарушение передачи генетической информации при делении клеток, а также в регуляцию экспрессии генов. Но HMGA1 не был мишенью стандартной формы miR-93-5p. Не зная об образовании изоформ микроРНК, можно сделать неверные выводы о молекулярных механизмах действия исследуемой микроРНК при раке предстательной железы.
«Изоформы ищут не те мРНК-мишени, которые были задуманы в эксперименте, и подавляют экспрессию других генов. Понимание этой особенности критически важно как для фундаментальных исследований, так и для медицины», — считает Диана Мальцева, заведующая Международной лабораторией микрофизиологических систем НИУ ВШЭ.
Ученые во всем мире используют такой подход для сверхэкспрессии микроРНК в своих экспериментах. Обычно корректность результатов проверяется с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Но этот метод в данном случае оказался недостаточно чувствителен.
«Как показала наша работа, увидеть смещение положения разрезания позволяет только секвенирование. К сожалению, это достаточно дорогостоящий метод, и не все лаборатории могут его себе позволить. Поэтому важно развивать современные методы сверхэкспрессии микроРНК и тщательно продумывать дизайн эксперимента», — объясняет Диана Мальцева.
