Nowe badania z Uniwersytet w Chicago ujawnia, że alternatywny splicing odgrywa znacznie większą rolę w kontrolowaniu ekspresji genów, niż oczekiwano.
W procesie tym powstają duże ilości nieproduktywnych transkryptów, które szybko ulegają degradacji. Odkrycia te sugerują, że nieproduktywny splicing może kontrolować wyciszanie genów i ma wpływ na leczenie chorób poprzez manipulowanie tymi mechanizmami.
Splicing alternatywny to proces genetyczny, podczas którego usuwane są różne segmenty genów, a pozostałe fragmenty są łączone podczas transkrypcji do przekaźnika RNA (mRNA). Mechanizm ten zwiększa różnorodność białek, które można wytworzyć z genów, łącząc fragmenty kodu genetycznego w różne kombinacje. Uważa się, że zwiększa to złożoność biologiczną, umożliwiając genom wytwarzanie różnych wersji białek lub izoform białek do wielu różnych zastosowań.
Nowe badania przeprowadzone na Uniwersytecie w Chicago sugerują, że alternatywny splicing może mieć jeszcze większy wpływ na biologię niż samo tworzenie nowych izoform białek. Badanie, opublikowane w tym tygodniu w Genetyka naturypokazuje, że największy wpływ alternatywnego splicingu może wynikać z jego roli w regulowaniu poziomów ekspresji genów.
Nieproduktywne transkrypcje i regulacja genów
Zespół badawczy, kierowany przez dr Yang Li, dr Benjamina Faira i dr Carlosa Buena Abada Najara, przeanalizował duże zbiory danych genomicznych, obejmujących różne etapy, od wczesnej transkrypcji do momentu zniszczenia transkryptów RNA przez komórkę. Zaobserwowali, że komórki wytwarzały trzy razy więcej „nieproduktywnych” transkryptów – cząsteczek RNA z błędami lub nieoczekiwanymi konfiguracjami – niż wtedy, gdy analizowano wyłącznie gotowy RNA w stanie stacjonarnym.
Nieproduktywne transkrypty są szybko niszczone w procesie komórkowym zwanym rozpadem za pośrednictwem nonsensów (NMD). Zespół Li obliczył, że średnio około 15% rozpoczynanych transkryptów ulega niemal natychmiastowej degradacji pod wpływem NMD; Kiedy przyjrzeli się genom o niskim poziomie ekspresji, liczba ta wzrosła do 50%.
Cel wysokich poziomów błędów w transkrypcji
„Uważaliśmy, że to ogromny przełom” – powiedział Li, profesor nadzwyczajny medycyny i genetyki człowieka. „Degradacja 15% transkryptów mRNA wydaje się już marnotrawstwem, ale nikt by nie pomyślał, że komórka tak dużo transkrybuje i natychmiast pozbywa się błędów, pozornie bez żadnego celu”.
Dlaczego komórka miałaby uruchamiać swoją maszynerię produkcji genetycznej, aby natychmiast zmarnować 15–50% swojej produkcji? I dlaczego w ogóle w transkrypcji popełniono tak wiele błędów?
„Uważamy, że dzieje się tak dlatego, że NMD jest tak skuteczny” – powiedział Li. „Komórka może sobie pozwolić na popełnianie błędów, nie uszkadzając niczego, więc nie ma presji selekcyjnej, aby popełniać mniej błędów”.
Zmienność genetyczna i poziomy ekspresji
Jednak Li podejrzewał, że tak powszechne zjawisko musi mieć jakiś cel. Jego zespół przeprowadził badanie asocjacyjne całego genomu (GWAS), aby porównać poziomy ekspresji genów w różnych liniach komórkowych. Odkryli wiele różnic w lokalizacjach genetycznych, o których wiadomo, że wpływają na poziom nieproduktywnego splicingu. Loci te równie często łączono z różnicami w ekspresji genetycznej spowodowanymi przez NMD, jak i z różnicami w produkcji wielu izoform białek.
Li uważa, że komórki czasami celowo wybierają transkrypty skazane na NMD w celu zmniejszenia poziomu ekspresji. Jeśli powstający RNA zostanie zniszczony, zanim ulegnie pełnej transkrypcji, nigdy nie wytworzy białek umożliwiających wykonywanie funkcji biologicznych. To skutecznie wycisza geny, podobnie jak usunięcie wersji roboczej e-maila, zanim jego autor zdąży nacisnąć „Wyślij”.
„Odkryliśmy, że zmiany genetyczne zwiększające bezproduktywny splicing często zmniejszają poziom ekspresji genów” – powiedział Li. „To pokazuje, że mechanizm ten musi mieć pewien wpływ na ekspresję, ponieważ jest tak powszechny”.
Implikacje dla rozwoju chorób i leków
Zespół odkrył, że wiele wariantów powiązanych ze złożonymi chorobami wiąże się również z bardziej nieproduktywnym splicingiem i zmniejszoną ekspresją genów. Uważają zatem, że lepsze zrozumienie jego wpływu mogłoby pomóc w opracowaniu nowych metod leczenia wykorzystujących proces alternatywnego splicingu-NMD.
Cząsteczki leku można zaprojektować tak, aby zmniejszały ilość nieproduktywnego splicingu, a tym samym zwiększały ekspresję genów. Jeden z zatwierdzonych leków na rdzeniowy zanik mięśni wykorzystuje już to podejście w celu przywrócenia wyłączonych białek. Innym podejściem mogłoby być zwiększenie procesu NMD w celu zmniejszenia ekspresji, na przykład w genach szalejących nowotworów.
„Uważamy, że możemy obrać za cel wiele genów, ponieważ teraz wiemy, jak intensywny jest ten proces” – powiedział Li. „Ludzie myśleli, że alternatywny splicing to głównie sposób na uczynienie organizmu bardziej złożonym poprzez generowanie różnych wersji białek. Teraz pokazujemy, że być może nie jest to jego najważniejsza funkcja. Może to polegać po prostu na kontrolowaniu ekspresji genów”.
Odniesienie: „Globalny wpływ nieproduktywnego splicingu na poziomy i cechy ekspresji genów człowieka” 2 września 2024 r., Genetyka natury.
DOI: 10.1038/s41588-024-01872-x
Badanie zostało wsparte środkami finansowymi ze środków m.in Narodowe Instytuty Zdrowia (granty R01GM130738, R01HG011067 i R35GM147498), grant konsorcjum GREGOR i Fundacja WM Kecka.
Dodatkowi autorzy to Junxing Zhao, Austin Reilly, Gabriela Mossian, Jonathan P. Staley i Jingxin Wang z Uniwersytetu w Chicago oraz Stephanie Lozano z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis.
