Удивительные путешествия малых РНК

В большинстве организмов небольшие фрагменты РНК играют ключевую роль в регуляции генов, подавляя экспрессию генов. Они делают это, находя и связываясь с комплементарными последовательностями транскриптов генов (также молекулами РНК), что останавливает клеточные механизмы от их использования для производства белков. Этот механизм называется интерференцией РНК (RNAi) и имеет критически важное значение в биологии.

Примечательно, что феномен RNAi не обязательно ограничен одной клеткой; он может проявляться и в других тканях и органах, далеко от клетки-источника. Исследователи наблюдали это в основном у растений, но также и у «низших» животных, таких как нематода C. elegans.

Белки и ДНК исключены

Однако один ключевой вопрос долгое время оставался без ответа: какое вещество-посредник перемещается между клетками и тканями? «Мы смогли исключить белки 20 лет назад, как только обнаружили, что RNAi может перемещаться у растений», — говорит Оливье Вуанне, профессор биологии РНК в ETH Zurich. Для RNAi требуется, чтобы посредник связался с комплементарной последовательностью транскрипта гена, который нужно «замолчать». «Одни только белки на это не способны. Выход ДНК из клеточного ядра также маловероятен», — продолжает Вуанне. «Наиболее вероятным кандидатом всегда была молекула РНК». До сих пор было неясно, какой именно тип и форма РНК — длинная, короткая, одно- или двухцепочечная, связанная с белками или нет — является этим посредником.

Двухцепочечные фрагменты путешествуют далеко

Теперь исследователи из ETH проливают свет на этот процесс в новом исследовании. Они впервые однозначно демонстрируют, что эти дистанционные посредники у растений — это короткие двухцепочечные молекулы РНК. Они состоят из пар (или дуплексов) длиной всего 21–24 нуклеотида (строительных блоков РНК), называемых малыми интерферирующими РНК (siRNA). Работа команды недавно была опубликована в журнале Nature Plants.

siRNA обычно образуются как большие и сложные популяции из геномов вирусов, инфицировавших клетку. Но собственные гены клетки также могут служить шаблонами для этих молекул. В результате клетки могут использовать RNAi для подавления не только вторгающихся вирусов, но и своих собственных генов.

Поскольку RNAi перемещается, растения обладают удивительной способностью модулировать экспрессию генов на расстоянии. Это может быть особенно важно для постоянной адаптации их нового роста, обеспечивая так называемую «фенотипическую пластичность».

Двигаться или не двигаться

В своем новом исследовании ученые исключили возможность перемещения других типов нуклеиновых кислот или комплексов, состоящих из РНК и белков, между клетками растений. «Мы можем определенно показать, что двухцепочечные siRNA необходимы и достаточны для индукции RNAi в отдаленных клетках и тканях растений», — говорит Вуанне.

Мало того, что исследователи из ETH идентифицировали неуловимых дистанционных посредников, они также показывают в своей работе, как siRNA перемещаются и выполняют свою функцию. Они обнаружили, что пока молекула siRNA существует как свободный дуплекс, она подвижна, потому что не может связаться с подходящим РНК-транскриптом. Чтобы связаться, она сначала должна быть «загружена» на специфический эффекторный белок Argonaute (AGO). Только связавшись с правильным белком AGO, siRNA может заглушить целевой транскрипт; этот процесс в конечном итоге разрушает сам фрагмент siRNA. Модельное растение, использованное в исследовании, имеет десять различных белков AGO, несколько из которых распознают соответствующие фрагменты siRNA с определенными «подписями»; эти «подписи» неоднородны среди больших когорт подвижных siRNA, продуцируемых из вирусов или собственных генов растения.

Белки AGO определяют паттерны движения siRNA

Различные белки AGO присутствуют в разных клетках и тканях. Исследователи ETH обнаружили, что в процессе загрузки соответствующие белки AGO «потребляют» часть siRNA в клетке-источнике, но незагруженная фракция может покинуть клетку.

В зависимости от наличия или отсутствия определенных белков AGO в клетках, через которые проходят подвижные siRNA, молекулы снова будут потребляться или нет. Например, если под рукой множество белков AGO, они захватят множество siRNA с различными «подписями», по существу останавливая движение. Если же клетка содержит почти никаких AGO, то большинство siRNA покинет ее и пройдет большие расстояния. И, наконец, если клетка содержит большое количество только одного специфического AGO, то будут потреблены только те siRNA, которые имеют соответствующую «подпись», в то время как остальные будут двигаться дальше. Другими словами, siRNA избирательно фильтруются и потребляются по мере продвижения через растительную ткань.

До сих пор научное сообщество, изучающее RNAi у растений, считало, что RNAi движется по линейным градиентам. Однако это не учитывает, что белки AGO избирательно используют некоторые siRNA — но не другие — по мере их движения. Новое исследование указывает на то, что этот процесс потребления, по сути, далек от линейного.

Бесчисленные паттерны движения

«Количество и разнообразие белков AGO в проходимых клетках в сочетании с внутренними «подписями» siRNA функционируют вместе как своего рода молекулярное сито, форма которого может различаться от типа клеток к типу клеток вдоль пути siRNA. В зависимости от пространственной конфигурации этого сита могут создаваться самые разнообразные паттерны движения siRNA», — объясняет Вуанне. Он добавляет: «Что еще интереснее, некоторые AGO могут индуцироваться стрессом или сигналами развития, так что пространственная форма сита может меняться и эволюционировать в любой момент времени».

Бесчисленные паттерны движения придают подвижной системе RNAi почти безграничную гибкость и универсальность в формировании экспрессии генов на расстоянии. Теперь, когда они поняли процесс, команда исследователей пытается сконструировать искусственные сита в растениях как способ точного контроля того, когда и где конкретные siRNA могут перемещаться — метод, который может найти применение в сельском хозяйстве.