RNA modifications.
Their work introduces potential therapeutic applications for controlling protein secretion, highlighting snoRNAs’ broader biological significance.
snoRNAs and Their Functions
Dynamic and reversible modifications to DNA and RNA play a critical role in controlling gene expression and transcription, influencing cellular processes, disease progression, and overall health. Small nucleolar RNAs (snoRNAs), a commonly overlooked group of guide RNA molecules, direct chemical modifications to ribosomal RNA (rRNA), much like an usher guiding someone to their seat.
Researchers at the University of Chicago have developed an innovative method to identify new RNA targets for snoRNAs. Using this approach, they uncovered thousands of previously unknown snoRNA targets in human cells and mouse brain tissues. Remarkably, many of these targets have functions beyond rRNA modification. Among the discoveries are snoRNA interactions with messenger RNA (mRNA) that aid in protein secretion—an essential cellular process with significant potential for therapeutic and biotechnological applications.
snoRNA’s Role in Protein Secretion
“Once you see so many targets for these snoRNAs, you realize there’s a lot more to be understood,” said Chuan He, PhD, John T. Wilson Distinguished Service Professor of Chemistry and Professor of Biochemistry and Molecular Biology at the University of Chicago and co-senior author of the paper. “We already see that they play a role in protein secretion, which has major implications for physiology, and it suggests a path forward to study hundreds of other snoRNAs.”
The paper, “SnoRNA-facilitated protein secretion revealed by transcriptome-wide snoRNA target identification,” was published in November 2024 in the journal Cell.
Advances in snoRNA Research and Applications
There are more than 1,000 known genes for encoding snoRNAs in the human genome, but scientists have only pinpointed the RNA targets for about 300 of them. These targets mostly involve guiding modifications for ribosomal RNA and small nuclear RNA involved in mRNA splicing. In the decades since snoRNAs were first discovered, researchers largely left the remaining 700 alone, assuming they performed similar functions. However, unlike other guide RNA molecules such as microRNAs that are all the same length, snoRNAs vary greatly in their length from 50-250 residues, suggesting that they can do many different things.
Over the past 12 years, He’s lab has developed several biochemical and sequencing techniques for studying transcription, DNA modifications, and RNA modifications. In the new study, He worked with co-senior author Tao Pan, PhD, Professor of Biochemistry and Molecular Biology, to test a new tool called “snoKARR-seq” that links snoRNAs with their target binding RNAs. Bei Liu, PhD, a Chicago Fellow postdoctoral scholar who is co-mentored by He and Pan, led the project.
“Chuan’s lab developed this killer technology to look at exactly what RNA each snoRNA is interacting with at the transcriptome level,” Pan said. “Now there’s a lot of open space for understanding comprehensively what these 1,000 human genes [that encode snoRNAs] robią.”
Nieoczekiwana rola SNORA73 w procesach komórkowych
Większość nowo odkrytych celów snoRNA nie pokrywa się ze znanymi miejscami modyfikacji RNA, co sugeruje, że snoRNA mogą mieć znacznie szerszą funkcję w komórkach. Nieoczekiwanym odkryciem było wywołanie snoRNA SNORA73 oddziałuje z mRNA kodującymi białka wydzielane i białka błony komórkowej. Wydzielanie białek to podstawowy proces biologiczny, podczas którego białka są transportowane z komórki do przestrzeni zewnątrzkomórkowej, co ma kluczowe znaczenie dla różnych funkcji, w tym komunikacji między komórkami, odpowiedzi immunologicznych i trawienia. Naukowcy to zauważyli SNORA73 działa jak „klej molekularny” pomiędzy mRNA a maszyną do syntezy białek, który pomaga ułatwić ten proces.
Dalsza analiza tego, jak SNORA73 wiąże się z mRNA, sugeruje, że syntetyczne sekwencje snoRNA można zmodyfikować tak, aby wpływały na wydzielanie białek. Naukowcy przetestowali tę hipotezę, modyfikując reporter białka zielonej fluorescencji (GFP), z którym wchodzi w interakcję SNORA73. GFP często wprowadza się do komórek, aby w określonych warunkach nadać im blask, dzięki czemu naukowcy mogą zobaczyć efekty eksperymentów. Kiedy badacze wyrazili SNORA73 genów ze zmodyfikowanym GFP, który może być wydzielany z komórek, zwiększył wydzielanie białka o 30 do 50% w porównaniu z grupą kontrolną.
Możliwości terapeutyczne oparte na snoRNA
Eksperymenty te wykazały, że można wykorzystać mechanizm snoRNA do manipulowania wydzielaniem danego białka, co może być przydatne w opracowywaniu leków. Na przykład, jeśli choroba człowieka wiąże się z niedoborem wydzielanych białek, bioinżynierowie mogliby przejąć kontrolę nad systemem, aby dostarczyć sztuczne snoRNA w celu zwiększenia wydzielania tego białka.
Przyszłe kierunki badań nad snRNA
Chociaż technologia syntezy i dostarczania snoRNA do właściwych lokalizacji nie jest jeszcze całkowicie gotowa, zarówno On, jak i Pan są pewni, że można stawić czoła tym wyzwaniom, ponieważ opiera się ona na wcześniejszych postępach w technologii wykorzystującej inne formy RNA. Uważają również, że skoro snoRNA są specyficzne dla typów komórek, mogą mieć znacznie bardziej zróżnicowane funkcje – i możliwości terapeutyczne – gdzie indziej.
„Pomyśl o komórkach neuronalnych, komórkach macierzystych lub komórkach nowotworowych. Istnieje wiele typów komórek, które można badać. Myślę więc, że pole jest szeroko otwarte” – stwierdził. „Tao i ja pracujemy razem od ponad 15 lat i jest to wspaniały przykład współpracy między Wydziałem Nauk Biologicznych i Wydziałem Nauk Fizycznych na UChicago. Niniejsza praca jest kolejnym przykładem na to, że tego rodzaju współpraca prowadzi do otwarcia nowej dziedziny biologii”.
Odniesienie: „Wydzielanie białek wspomagane przez SnoRNA ujawnione przez identyfikację celu snoRNA w szerokim transkryptomie” 22 listopada 2024 r., Komórka.
DOI: 10.1016/j.cell.2024.10.046
Do dodatkowych autorów badania należą Tong Wu, Bernadette A. Miao, Fei Ji, Shun Liu, Pingluan Wang, Yutao Zhao, Yuhao Zhong, Arunkumar Sundaram, Tie-Bo Zeng, Marta Majcherska-Agrawal i Robert J. Keenan z UChicago.
