Celem nowego badania analizującego 3’UTR jest maleńka glista C.elegans. Te krótkie odcinki RNA odgrywają kluczową rolę w regulacji genów. Powstała mapa, będąca owocem 20 lat badań, jest najpełniejszym tego rodzaju zbiorem danych dotyczącym dowolnego zwierzęcia i pomoże w pogłębieniu podstawowego zrozumienia mechanizmów regulacji genów kluczowych dla zdrowia i chorób ludzi. Źródło: Grafika: Jason Drees
Nowe badanie bada mechanizmy regulacji genów.
Naukowcy z Arizona State University dokonali ogromnego przełomu w zrozumieniu regulacji genów w organizmach żywych. Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Badania kwasów nukleinowychpodkreśla kluczową rolę konkretu RNA fragmenty w małej, przezroczystej glisty Caenorhabditis eleganckie (C. elegans).
Badanie dostarczyło szczegółowej mapy regionów 3’UTR RNA u C. elegans. 3’UTR (regiony nie podlegające translacji) to segmenty RNA zaangażowane w regulację genów.
Nowa mapa jest cennym narzędziem dla naukowców badających, jak to zrobić DNA geny są włączane i wyłączane po ich transkrypcji na RNA. Wykorzystując te dane, naukowcy mogą lepiej przewidywać interakcje małych cząsteczek RNA (miRNA) z genami, kontrolując ich aktywność. Naukowcy zbadali także kluczowe regiony 3’UTR, które pomagają w przetwarzaniu i regulacji cząsteczek RNA.
Badając materiał genetyczny tego organizmu modelowego, badacze uzyskują głębszy wgląd w tajemnice zachowania genów, rzucając światło na podstawowe procesy biologiczne niezbędne dla zdrowia i chorób człowieka.
„To monumentalne dzieło stanowi zwieńczenie 20 lat ciężkiej pracy. W końcu mamy pełny obraz tego, jak powstają geny w organizmach wyższych” – mówi Marco Mangone, współautor nowego badania. „Dzięki temu kompletnemu zestawowi danych możemy teraz wskazać i zbadać wszystkie elementy regulacyjne i przetwarzające w obrębie tych sekcji genów. Elementy te determinują czas trwania ekspresji genów, ich specyficzne umiejscowienie w komórkach oraz wymagany poziom ekspresji.”
Geny to tylko połowa historii
Geny to segmenty DNA zawierające plany zdumiewającej różnorodności życia na Ziemi. Jednak część tajemnicy tej wszechstronności nie leży w samych genach, ale w delikatnym dostrojeniu ich efektów. Geny dostarczają instrukcji wytwarzania białek, które odgrywają zasadniczą rolę w budowaniu i naprawie komórek i tkanek, przyspieszaniu reakcji chemicznych i obronie organizmu przed patogenami.
Marco Mangone jest badaczem w Biodesign Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics i profesorem w School of Life Sciences na ASU. Źródło: Instytut Biodesign na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie
Do produkcji białek geny wymagają cząsteczki pośredniej zwanej RNA. Podczas tego procesu DNA jest najpierw kopiowane do RNA, które pełni rolę pomostu pomiędzy matrycą DNA a powstałymi białkami. Chociaż nasz genom DNA jest ustalony od urodzenia, RNA zapewnia organizmowi ogromną elastyczność, regulując ekspresję genów.
Po transkrypcji instrukcji genetycznych z DNA do informacyjnego RNA (mRNA), wyspecjalizowane segmenty mRNA — 3’UTR — mogą regulować sposób wytwarzania białek.
3’UTR to odcinki RNA zlokalizowane na końcu cząsteczki informacyjnego RNA. Pomagają kontrolować, jak i kiedy powstają białka, kontrolując stabilność i wydajność mRNA. Regulacja ta pozwala na dynamiczną reakcję na zmiany środowiskowe i umożliwia kontrolę nad produkcją białek, która jest niezbędna do przystosowania się do różnych potrzeb fizjologicznych.
Ponowne rozważenie 3’UTR
Początkowo niekodujące RNA, takie jak 3’UTR, uważano za nieistotne fragmenty genetyczne, ponieważ same nie kodują białek. Jednak ostatnie badania pokazują, że mają one kluczowe znaczenie dla modyfikowania zachowania genów i wpływania na stabilność mRNA, lokalizację i wydajność translacji. Tłumaczenie odnosi się do procesu przekształcania RNA w białka składające się z sekwencji aminokwasy.
3’UTR stanowią integralną część wyrafinowanego i wysoce elastycznego systemu kontroli i równowagi w produkcji białek. Ponadto te elementy regulatorowe RNA często zawierają miejsca wiązania innych elementów odpowiedzialnych za regulację białek, w tym mikroRNA i białek wiążących RNA.
Pomimo ich znaczenia naukowcy wcześniej niewiele o nich wiedzieli. Nowe badanie wypełnia tę lukę poprzez mapowanie 3’UTR dla prawie wszystkich genów C. elegans, zapewniając najbardziej kompletną tego rodzaju mapę dla każdego zwierzęcia.
Okno na funkcję genów i choroby
C. elegans to mały, przezroczysty nicień będący jednym z najszerzej badanych organizmów modelowych w badaniach biologicznych. Jego znaczenie polega na prostocie, krótkim cyklu życiowym i dobrze odwzorowanej strukturze genetycznej.
Organizm ten ma wiele wspólnych szlaków biologicznych z człowiekiem, co czyni go nieocenionym w badaniu funkcji genów, rozwoju i procesów chorobowych. Jego przezroczyste ciało pozwala badaczom obserwować procesy komórkowe w czasie rzeczywistym, a jego skład genetyczny umożliwia precyzyjną manipulację genami.
Te cechy sprawiają, że C. elegans jest potężnym narzędziem do odkrywania podstawowych mechanizmów biologicznych, które często są zachowane gatunekw tym ludzi.
Badanie wykazało, że proces przełączania między różnymi 3’UTR występuje u C. elegans rzadziej, niż wcześniej sądzono. Podważa to wcześniejsze przekonania i podkreśla złożoność regulacji genów. Korzystając z nowych danych, naukowcy zaktualizowali przewidywania dotyczące interakcji mikroRNA z genami.
Wnioski wyciągnięte z nowego badania mają dalekosiężne implikacje dla zdrowia ludzkiego. Problemy z kontrolą genów mogą prowadzić do chorób takich jak rak, cukrzyca i zaburzenia neurologiczne. Dostarczając szczegółową mapę 3’UTR i ich elementów regulacyjnych, badanie oferuje nowe spostrzeżenia, które mogą prowadzić do lepszych metod leczenia i terapii.
Nowy zbiór danych uzyskany w ramach badania będzie kluczowym źródłem informacji dla naukowców zajmujących się genetyką i zdrowiem człowieka. Zespół ASU planuje kontynuować badania w celu dalszego zbadania działania tych elementów regulacyjnych i ich krytycznego wpływu na kontrolę genów.
Odniesienie: „A wszechstronna analiza 3′UTRs in Caenorhabditis elegans” przeprowadzona przez Emmę Murari, Dalton Meadows, Nicholas Cuda i Marco Mangone, 25 czerwca 2024 r., Badania kwasów nukleinowych.
DOI: 10.1093/nar/gkae543
