© Energia school Ad

Чи дійсно не кодують ″мовчазні″ РНК?

Автор Анастасія Нестеренко
Генетик

Є матричні РНК, є транспортні РНК і є рибосомні. А є РНК, які нічого не кодують, але багато регулюють. А тепер ще відомо, що є РНК, які вважалися некодуючими, а насправді кодують маленькі, та дуже важливі білки. Ця стаття – історія про те, що розмір інколи зовсім не має значення. 

У біології існує центральна догма: ДНК–РНК–білок. Однак дослідження в галузі епігенетики показали, що далеко не всі РНК є основою для створення білків. Існує багато видів ″мовчазних″ РНК, які виконують важливі регуляторні функції.

Усе було би добре, але й цей постулат не є аксіомою. Тому що, як починають виявляти сучасні дослідження, навіть маленькі РНК можуть щось кодувати.

Ліричний відступ: крім трьох РНК китів: матричної РНК (мРНК або іРНК), рибосомної РНК (рРНК) та транспортної РНК, існує ще декілька класів коротких рибонуклеїнових кислот, у яких (можливо) не зашифровано білкової послідовності, але вони, тим не менш, дуже важливі для епігенетичної регуляції.

У 2000 році група вчених з інституту Макса Планка у Кельні вивчала довгі некодуючі РНК (днРНК) в бобових культур. Вивчали – та раптом виявили РНК довжиною в 679 нуклеотидів – транскрипт гену раннього нодуліну 40 (early nodulin 40 або ENOD40) – яка кодувала два крихітні пептиди: один довжиною у 12 амінокислот, а другий – у 24. Незважаючи на розмір, пептиди активно вироблялися рослинами та впливали на фермент, що синтезував сахарозу.

Через 5 років знайшли ще два мікропептиди, що ″ховалися″ у некодуючих РНК, причому обидва в організмах, які, здається, вивчені вже уздовж і впоперек: команда Юдзі Кагеями (Yuji Kageyama) відкрила новий ген pri в Drosophila melanogaster, а у 2014 році Андреа Паулі (Andrea Pauli) знайшла новий мікропептид у рибки даніо, класичному об’єкті ембріологічних досліджень.

Що характерно, незважаючи на розмір, ці нові білки були досить важливими: мутація в гені pri серйозно порушувала розвиток мух, які втрачали нормальну структуру кутикули шкіри, а відкритий Паулі пептид у даніо, який назвали ″Toddler″, відповідав за пересування клітин по ембріону під час раннього розвитку.

Ставало все зрозумілішім, що сучасні методи вивчення геному мають істотні вади. І пошук нових пептидів, яких обходили увагою всі ці роки, перетворився на біологічно-математично-інформатичний детектив.

Ситуація, що склалася, є результатом простого факту: даних дуууже багато. З моменту секвенування перших геномів, коли потрібно було просіювати мільярди послідовностей, потрібно було спростити завдання та виключити псевдо-гени, які не ″випускають″ власних білків.

Найпростіший засіб для цього – вибирати послідовності, які мають ознаки ″справжніх″ генів. 

Рисунок узято зі статті ″Noncoding RNAs Not So Noncoding″ http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/46150/title/Noncoding-RNAs-Not-So-Noncoding/#ref

Відомо, що ферменти впізнають початок та кінець гену, що має зчитуватися, за певними літерами: старт кодоном – AUG та стоп кодоном – UAA. Разом ці кодони утворюють так звану відкриту рамку зчитування (ВРЗ). При створенні алгоритмів аналізу геному вчені відштовхувалися від таких положень: значущі відрізки, що містять гени – мають містити ВРЗ. Але ВРЗ може з’явитися випадково, тому було вирішено виключити ДНК та РНК, у яких між початком та кінцем ВРЗ знаходиться менше 300 нуклеотидів.

До того ж, при електрофоретичному аналізі відрізки РНК, коротші за певний поріг, просто змиваються. Але якщо припустити, що існують гени, які кодують дуже маленькі пептиди на декілька десятків амінокислот – виходить, що величезна кількість справжніх генів просто викидається як сміття і не аналізується.

Але як знайти цих маленьких, але важливих ліліпутиків у світі білків? 

Відповідь дуже проста та витончена – спіймати РНК у ділі, тобто в рибосомі!

У 2009 році був розроблений більш ефективний метод профайлінга рибосом, при якому вивчається послідовність тільки тих РНК, що пов’язані із рибосомами. Завдяки методиці секвенування нового покоління, яка дозволяє аналізувати велику кількість послідовностей одночасно, з’явилася можливість проаналізувати та зіставити увесь обсяг мРНК, які знаходяться на рибосомному ″виробництві″ на момент аналізу.

Але для відкриття нових кодуючих РНК такого профайлінгу недостатньо. РНК може приєднатися до рибосоми тому, що вона щось регулює. Або просто випадково причепилася. Через це довелося розробити низку алгоритмів, які враховують такі параметри, як частота вивільнення рибосом, довжина фрагментів у комплексі "рибосома-РНК" або філогенетичний аналіз. Усі алгоритми допомагають знаходити серед океану даних потрібні зернятка – ті маленькі РНК, що є основою для синтезу білків.

Навіть відрізнивши дійсно некодуючі РНК від тих, що ховають секретики – пептиди, вчені встановили, що, наприклад, в мишей 5% від усіх некодуючих РНК – насправді РНК із сюрпризами. Той факт, що існує декілька десятків тисяч довгих некодуючих РНК, означає, що є щонайменше декілька сотень, а то й тисяч мікропептидів, які ніхто ніколи не вивчав.

Саме тому було створено базу даних усіх знайдених на сьогодні маленьких ВРЗ – sORFs.org. У базі – результати досліджень на мишах, дрозофілах та людині, й вже накопичилося близько 266342 послідовностей, які класифікували як маленькі ВРЗ – sORF. Як пояснюють розробники, не всі ВРЗ дійсно містять інструкції для виробництва пептидів: наприклад, у випадку людини, послідовна фільтрація, можливо, виявить десь 400 перспективних РНК-кандидатів. Але й це не так уже й мало, бо недостатньо знайти послідовність – треба ще зрозуміти, що за пептид у ній ховається та яка його функція. І за це вже беруться молекулярні біологи й роками розслідують, що до чого. Нещодавно, наприклад, знайшли мікропептид, який контролює скорочення серцевих м’язів у ссавців.

Наразі існує декілька лабораторій, які цілеспрямовано шукають РНК, що потрапили до класу некодуючих ні за що ні про що. І це тільки початок, бо, звичайно, не можна обмежуватися тільки дрозофілами та мишами. Відкриття маленьких кодуючих РНК показує, що в молекулярній генетиці та епігенетиці багато чого могли обійти увагою. Розмір у клітині дійсно не має ніякого значення, і маленькі пептиди, як виявляється, можуть виконувати мільйон різних функцій: впливати на розвиток, забезпечувати обмін речовин, контролювати роботу м’язів або активувати роботу імунної системи. А відповідати на конкретні питання та розслідувати окремі історії окремих речовин доведеться вченим сьогодення та майбутнього. 

А якщо вам цікавіше дізнатися про дійсно некодуючі РНК – рекомендую записатися на курс з епігенетики від університету Мельбурну – з 24 жовтня якраз починається нова сесія. Тільки мушу зауважити – тепер ″Coursera″ не дає доступ до екзаменаційних завдань, якщо студент не заплатив за сертифікат sad


Переграно зі статті Рут Уільямс (Ruth Williams)

Дізнайтеся ваші варіанти генів APOE та eNOS3:
ДНК-тест «Мій раціон»
1950 грн
Замовити тест
ДНК-тест «Моє вегетаріанство»
1950 грн
Замовити тест