Как клетки управляют своим запасом мРНК и её активностью

В типичной клетке гены, закодированные в ДНК, используются для создания матричной РНК (мРНК), которая, в свою очередь, используется для производства белков. Этот процесс экспрессии генов поддерживает жизнедеятельность клетки. Однако существует особый тип клеток, где экспрессия генов не может следовать обычному паттерну: развивающиеся яйцеклетки и ранние эмбрионы. В этих клетках в течение короткого периода, пока геном эмбриона ещё не готов к экспрессии, новые мРНК не производятся. Единственный генетический материал, с которым клетки могут работать, — это запас мРНК, созданных ранее из материнского генома.

Без возможности создавать новую мРНК клетки должны регулировать экспрессию генов, изменяя количество белка, производимого из каждой запасённой мРНК в любой момент времени. Им также необходимо тщательно контролировать время удаления материнских мРНК. Если клетки деградируют материнские РНК слишком рано, резервных копий не останется. Если слишком поздно — это может помешать «передаче эстафеты», когда геном эмбриона берёт на себя управление у материнского генома.

В исследовании, опубликованном в Developmental Cell 8 марта, член Института Уайтхеда Дэвид Бартел и постдок в его лаборатории Кехуи Сян детально описывают сложную регуляторную систему, которую эти клетки используют для управления запасом мРНК и её активностью.

Длина «хвоста» определяет активность РНК

Каждая мРНК имеет «хвост», состоящий из цепочки аденозинов (A) — одного из строительных блоков РНК. Это называется поли(А)-хвостом. Известно, что в развивающихся яйцеклетках и ранних эмбрионах эффективность мРНК (скорость, с которой она используется для производства белка) зависит от длины её хвоста: чем длиннее хвост, тем больше белка будет произведено.

Поскольку длина хвоста определяет эффективность мРНК, Бартел и Сян хотели выяснить, что регулирует эту длину. Именно этот механизм в конечном итоге регулирует экспрессию генов в этих клетках.

Определение ключевой регуляторной последовательности

Исследователи сосредоточились на 3'-нетранслируемой области (3' UTR) мРНК, которая содержит регуляторные последовательности. Было известно, что для удлинения хвоста мРНК вне ядра необходимы две последовательности: цитоплазматический элемент полиаденилирования (CPE) и сигнал полиаденилирования (PAS). Однако точная последовательность CPE оставалась загадкой.

Сян и Бартел использовали систематический подход, создав библиотеку из миллионов мРНК с разными последовательностями в 3' UTR, и наблюдали за изменением длины их хвостов в яйцеклетках лягушек. В результате они идентифицировали CPE: последовательность из пяти оснований UUUUA.

Они обнаружили, что эта CPE консервативна в эволюции и присутствует у мышей и людей. У рыб эмбрионов CPE оказалась немного другой: последнее основание в последовательности может быть как A, так и U.

Факторы, определяющие длину хвоста

Исследователи выяснили, что на эффект CPE влияют несколько факторов:

• Основания по обе стороны от CPE могут усиливать его эффект.
• Основания, ближайшие к PAS, также могут его модифицировать.
• Другими факторами являются количество копий CPE и PAS в мРНК, расстояние между CPE и PAS, а также расстояние от PAS до хвоста мРНК.

Комбинация этих факторов определяет, насколько удлинится хвост конкретной мРНК, что приводит к высокоиндивидуализированной длине хвостов среди всех мРНК в развивающихся яйцеклетках и эмбрионах.

«Существует очень сложная картина изменений длины хвоста, которая обычно происходит в раннем развитии, и было загадкой, как это происходит. Теперь у нас есть понимание, почему разные мРНК ведут себя настолько по-разному друг от друга», — говорит Бартел.

Другие регуляторы мРНК в раннем развитии

Бартел и Сян обнаружили, что в то время как лишь несколько последовательностей влияют на удлинение хвоста, в его укорочении в яйцеклетках и ранних эмбрионах задействовано множество различных последовательностей. Разные регуляторы воздействуют на разные мРНК, что позволяет клеткам подавлять материнские мРНК целенаправленными волнами.

Хвосты многих мРНК укорачиваются в первой крупной волне, а затем более мелкие волны укорачивают хвосты более индивидуально, что позволяет точно оркестрировать переход от контроля материнского генома.

Исследователи также выявили способы, с помощью которых клетки могут подавлять мРНК независимо от длины хвоста:

1. Если мРНК содержит участки из цитозиновых оснований (C) в 3' UTR, это репрессирует мРНК.
2. Когда незрелые яйцеклетки находятся в состоянии покоя перед окончательным созреванием, наличие CPE само по себе подавляет мРНК.

Это согласуется с предыдущими исследованиями, поскольку многие гены, содержащие CPE, связаны с делением клеток. Эти гены должны быть выключены во время покоя и очень активны во время развития яйцеклетки и эмбриона. CPE, со своей двойной ролью, работает как элегантный переключатель между этими состояниями.

Перспективы и дальнейшие исследования

Эта работа проливает свет на то, как оплодотворённая яйцеклетка начинает невероятный процесс развития целого организма. Сян и Бартел используют свои открытия для создания алгоритмов, способных предсказать длину хвоста для заданной мРНК. Исследователи планируют использовать свои прогностические инструменты для изучения причин женского бесплодия. Например, как мутации в последовательностях, участвующих в удлинении мРНК, влияют на жизнеспособность яйцеклетки или эмбриона?

«3'-нетранслируемой области уделяется не так много внимания, потому что это некодирующая область, но мы надеемся, что с увеличением объёма геномных данных и улучшением наших моделей мы сможем определить генетические варианты у человека, которые потенциально могут влиять на фертильность. Это большая часть нашей мотивации», — говорит Сян.