Контекст имеет значение: как соседние гены влияют на экспрессию
Синтетическая биология, стремящаяся понять жизнь через её создание, часто рассматривает последовательности ДНК как модульные «части» с воспроизводимыми функциями. Исследование группы Штайнмеца из EMBL, опубликованное в Science, показывает, что функция этих «частей» — а именно РНК-выход гена — существенно зависит от их позиции (контекста) в геноме.
Ключевой вопрос: Являются ли генетические модули по-настоящему «plug-and-play», функционируя одинаково в любом контексте, или их положение влияет на функцию?
Технологический прорыв для изучения контекста
Исследование стало возможным благодаря двум технологиям:
- Синтетические штаммы дрожжей от консорциума Sc2.0 с системой SCRaMbLE, позволяющей в огромных масштабах переставлять гены в разные позиции генома.
- Секвенирование полноразмерной РНК (long-read direct RNA sequencing) на платформе Oxford Nanopore GridION, которое позволило точно определить начало, конец и количество молекул РНК для каждого генетического перестроения.
Основные результаты
Анализ большого набора случайных перестроек генома показал:
- Контекст, особенно транскрипционный, изменяет РНК-выход гена. Перемещение гена влияет на длину и количество его РНК.
- Эти изменения не всегда объясняются новой соседней ДНК-последовательностью. Ключевую роль играет сама транскрипционная активность вокруг гена.
- Моделирование с использованием машинного обучения выявило, что особенности окружающих транскрипционных паттернов предсказывают границы и количество РНК. Например, если ген перемещается рядом с высокоэкспрессируемым соседом, его экспрессия также имеет тенденцию расти.
- Обнаружена взаимосвязь между конечными позициями РНК конвергентных генов (ориентированных концами друг к другу). Длина РНК зависит от близости и количества соседних транскриптов.
Новые принципы конструирования геномов
На основе этих открытий исследователи:
- Продемонстрировали возможность настройки длины молекул РНК, контролируя транскрипцию соседнего гена.
- Предложили концепцию «транскрипционного встраивания» (transcriptional embedding). Она позволяет обратимо «метить» РНК, изменяя её стабильность, трансляцию в белок или локализацию, контролируя экспрессию соседнего конвергентного гена, а не сам целевой ген.
Вывод: Работа выявляет тонкую взаимосвязанную регуляцию между соседними генетическими элементами, которая определяет, где начинаются и заканчиваются транскрипты. Способность предсказывать эти взаимодействия формирует ключевые «принципы проектирования» для построения геномов: где лучше всего располагать гены и как их следует позиционировать относительно друг друга. Эти принципы расширяют инструментарий для инженерии транскриптов без изменения самой последовательности ДНК, а путём модуляции экспрессии соседних генов.