Уточнены критические молекулярные стадии развития млекопитающих
Исследователи из Университета Пердью раскрыли сложные детали функционирования ключевого белка, общего для млекопитающих, включая человека. Многие виды рака возникают, когда этот белок — ДНК-метилтрансфераза — работает неправильно.
Результаты исследования, проведенного под руководством постдока и аспиранта при участии пяти студентов, опубликованы в журнале Cell Reports. Впервые показан механизм, с помощью которого специфический тип РНК регулирует экспрессию критического гена ДНК-метилтрансферазы Dnmt3b.
«Регуляция метилирования ДНК лежит в основе многих заболеваний», — отметила Хумайра Гаухер, доцент кафедры биохимии. В норме метилирование ДНК, катализируемое Dnmt3b, играет важную роль в делении молодых неспециализированных клеток млекопитающих и их развитии в более специализированные. Оно также регулирует эпигенетические процессы.
«В этой работе мы показываем, как ДНК-метилтрансфераза Dnmt3b точно и ограниченно экспрессируется на ранних стадиях развития, а затем отключается», — сказала Гаухер.
Нарушение работы Dnmt3b потенциально влияет на поведение раковых клеток, поскольку определенные условия вызывают аномальное метилирование ДНК. Изменения в метилировании ДНК стали критическими биомаркерами для обнаружения рака.
В серии экспериментов команда Гаухер использовала эмбриональные стволовые клетки мыши в качестве модели развития, чтобы отследить локализацию и время экспрессии Dnmt3b и определить контролирующий ее механизм.
Эксперименты выявили взаимодействие нескольких регуляторных молекул. Команда обнаружила, что после того, как некодирующая РНК создает открытую среду в промоторе гена, она также доставляет белок сплайсинга hnRNPL к «локомотиву» транскрипции — РНК-полимеразе II (Pol II). Полимераза «подвозит» белок сплайсинга к его молекулярному рабочему месту в теле гена.
«Некодирующие РНК способны связывать факторы сплайсинга. Они могут доставить этот фактор сплайсинга к РНК-полимеразе в промоторе, и полимераза его "подвезет"», — пояснила Гаухер.
Результаты помогли показать, что два генетических процесса — транскрипция и альтернативный сплайсинг — служат двойным контролем для тонкой настройки различных форм Dnmt3b, сказал ведущий автор статьи Мохд Салим Дар. При альтернативном сплайсинге ген может комбинировать сотни последовательностей ДНК для производства белков разными способами.
«Когда я дифференцировал эти наивные эмбриональные стволовые клетки мыши и проверил экспрессию Dnmt3b, я увидел, что она индуцируется», — сказал Дар. В индуцированном состоянии Dnmt3b запускает клеточное развитие. «И вместе с этой индукцией мы увидели сплайсинг», — добавил он.
Дар также исследовал взаимосвязь между альтернативным сплайсингом и состоянием экспрессии Dnmt3b.
«Нужно было показать полную картину альтернативного сплайсинга Dnmt3b в состояниях низкой и высокой экспрессии», — сказала Гаухер. Когда Дар изучил альтернативный сплайсинг в состоянии низкой экспрессии, он заметил, что выбор сплайсинга приводит к образованию белка Dnmt3b, не обладающего ферментативной активностью. Однако в состоянии высокой экспрессии альтернативный сплайсинг переключался, что приводило к экспрессии ферментативно активного белка.
«Этот механизм может выполнять несколько функций, в том числе предотвращать нарушение развития из-за ложного метилирования ДНК на ранней стадии», — отметила она.
Исследование показало, что в эмбриональных стволовых клетках Dnmt3bas доставляет белки, которые удерживают промотор гена Dnmt3b в «подготовленном» состоянии для получения сигналов активации во время дифференцировки. В активированном промоторе Dnmt3bas также доставляет белки сплайсинга, которые связываются с Pol II, таким образом координируя экспрессию гена с альтернативным сплайсингом.
Пять студентов-соавторов — недавние выпускники Ханна Уитлок и Нина Биппус, а также Мэдисон Семински, Мартин Эмерсон и Херн Тан — оказали ценную помощь Дару и соавторам Исайе Менса и Саре Макговерн, аспирантам кафедры биохимии.