Logo

РНК SINE-элементы

Интересная особенность генома эукариот заключается в том, что большинство из них не несут в себе ничего необходимого для кодирования клетки. Транспозоны, или как их еще называют «эгоистичные элементы», занимают значительную часть генома. Свое название они получили за счет паразитирования на транскрипции и в процессе формирования клеток. Эти элементы размножаются, но при этом не участвуют ни в одном полезном процессе.

ПРОРЫВ В НАУКЕ

Но сегодня было доказано обратное – транспозоны выполняют важную роль в процессе адаптации клеток к стрессу. Американские ученые показывают в деталях весь этот процесс, а также саморасщепление элемента с помощью белка EZH2.

Геном в своей структуре имеет менее 15% нужной наследственной информации. И только на этом небольшом отрезке возможно найти наследственную информацию, что соответствует 3 миллиардам нуклеотидов. По своей структуре геном нерационален. Главное, что имеет эта пятнадцатипроцентная часть – это белки с кодами, регуляторные части, которые участвуют в регулировании считывания наследственных «текстов», а также связывают белок. Оставшиеся 75% ДНК является ненужными элементами, которые имеют название «генетический мусор». К тому же этот «мусор» переходит от одного рода к другому миллионы лет подряд. Почему это происходит и для чего это нужно – до сих пор остается загадкой для исследователей, использующих в своих исследованиях https://altair.ru/category/mikroskopy/ позволяющих заглянуть в самые глубины человеческого организма.

Если рассматривать геном человека и его отдельные части, то можно заметить, что мобильные элементы (или транспозоны) владеют практически половиной ДНК. Транспозоны способны к размножению и движению внутри генома, при этом процессе участвуют их же ферменты, а также несколько «обычных» клеточных. Есть теория, что именно этот процесс служит основанием для увеличения и постоянного перемещения генетического «мусора» в ДНК. При хромосомной перестройке некоторая доля генома может исчезнуть, но из-за транспозонов этого не происходит.

Воздействие РНК-полимеразы на исследование

Группа исследователей из США провела интересную работу над элементами транспозонов, одни из которых являются маленькими по длине SINE-элементами. При этом в человеческом ДНК чаще всего встречаются мобильные элементы Alu, а, например, у грызунов – B2. Руководил данным опытом Дженни Ли (Jeannie T. Lee). Недавно была опубликована их работа на эту тематику в последнем выпуске журнала PNAS.

Если снова обратить внимание на процентное соотношение в составе генома, то SINE-элементы занимают 10%, что соответствует 200-300 парам нуклеотидов. В ДНК у мышей и у человека их численность превышает 1 миллион дубликатов. В состав SINE-элементов входят свои промоторы, с помощью которых и начинает работать механизм считывания информации РНК – транскрипция. Лишь несколько десятков тысяч из миллиона обладают такой способностью. Но на постоянной основе данные промоторы не работают, из этого следует, что процедуры считки аналогов не запускается. Например, если провести анализ крови РНК абсолютно безболезненного человека, то окажется, что суммарное содержание аналогов РНК Alu-элементов станет равняться около 100-1000шт., это число приходится на одну клетку.

РНК-полимераза III – фермент, способный синтезировать маленькие элементы РНК. Но он также играет важную роль при считке информации на промоторах SINE-элементов

РНК-полимераза II – фермент, который также считывает гены, но именно он стал главным ключом в урегулировании вопроса о влияние стресса на клетки при воздействии SINE-элементов.

Стоит отметить ряд фактов, которые были изучены до начала этого исследования:

  1. Каждая клетка обладает процессом реагирования на стрессы различного происхождения. Начинаться эта реакция может по нескольким причинам, будь то недостаточное количество полезных элементов, превышение температуры, недостаток кислорода, вредное облучение, заражение вредоносными бактериями, отравление токсичными элементами. Все эти процессы нарушают привычную работу клетки. При стрессовой ситуации клетка останавливает все свои привычные процессы, даже жизненно важные. При этом вся ее энергия тратится на самолечение и самовосстановление. Чтобы этот процесс прошел быстро, клетке целесообразно деактивировать жизненно важные гены, а восстановительные гены запустить. Но как это происходит? На сегодняшний день имеется лишь поверхностное представление в отношение этого механизма, ведь это довольно-таки сложный процесс, который отключает и включает в одно время огромное количество генов. Но в этом механизме есть свои лидеры, один из которых белок HSF1 (Heat Shock Factor 1). Его главная задача – активация транскрипции ДНК. Однако некоторые опыты показали, что процесс активация стрессочувствительных клеток может произойти без этого белка.
  2. При клеточном стрессе происходит больше увлечение численности РНК SINE-элементов. Это было доказано в 1990-е годы Статистическая зависимость между процессами не дает до конца разобраться с механизмом. Однако возникает вопрос, а может ли включение SINE-элементов выступать одним из элементов стрессового процесса? Одним из объяснений увеличения суммарной численности РНК SINE-элементов выступает – потеря навыка клетки, которая подверглась стрессам, вести результативный контроль над теми самыми «эгоистичными» элементами молекул ДНК.
  3. Команда американских исследователей, которыми руководил Джеймс Гудрич (James A. Goodrich), проводила свое исследование в 2004-2009гг. Итогом эксперимента стало следующее: транскрипты SINE-элементов человека или мыши имеют возможность самостоятельно вступать во взаимодействие с РНК-полимеразой II и таким образом мешать ее обычным функциям. РНК-полимераза теряет способность синтезировать РНК, это происходит даже при условии присоединения к промоторам полимеразы. При наличие таких условий становится возможным понимание того, что данные РНК отвечают за подавление процесса переписывания генов в клетке за счет увеличения транскрипции SINE-элементов. Защиту от дезактивации РНК SINE-элементов получают лишь некоторые промоторы ДНК шаперонов, которые включатся при стрессовой ситуации. В итоге получается, что транскрипция протекает без каких-либо вмешательств. РНК-полимераза способна избавить от данных РНК, предположительно именно какой-либо из этих факторов и является этому причиной.

В 2016 году была проделана интереснейшая работа, автором которой стал Дженни Ли. Связана она с содействием SINE-элементов в процессах клетки при стрессовых ситуациях. Стоит отметить, что ее работа показала некоторые элементы процесса, которые ранее никто не замечал.

Опыт проводился следующим образом: до начала процесса у испытуемых брали все необходимые анализы. Затем бокс нагревали до температуры 45С, повышение температуры происходило в течение 15 минут (данная процедура называется тепловой шок). По окончанию воздействия также собирали нужные пробы для выявления результатов и их возможных различий. Подопытными стали лабораторные мыши.

Результат исследования показал, что после теплого воздействия появляются участки на определенном месте, которые образовались в результате взаимодействия РНК SINE-элементов с некоторыми частями хромосом. В ДНК есть межгенные участки, как правило, в них нет ничего полезного. Именно в межгенной части появилось 75% этих связующих частей. А оставшиеся 25% связей стали частью интронов. Это важный кодирующий геном.

Данное процентное разделение можно отнести к общему числу межгенной и внутригенной ДНК молекулы, но оно выглядит скорее случайным, чем будет иметь какую-то закономерность постоянно. Авторы проекта настаивают на обратном. Они утверждают, что в некоторых генах ДНК не образовалось ни одного связующего участка, в то время как в большинстве ДНК их получилось сразу несколько. Также они выявили, что в первом интрон гене оказывалась большая часть связующих внутригенных сайтов.

Также, в результате опыта было выявлено, что до повышения в клетке температуры суммарное количество связующих сайтов в ДНК РНК SINE-элементов равняется 13 368, тем самым выделяются некоторые наборы частей и это относится к первому. По окончанию действия теплового шока второй набор участков составил только 25 634. Примечательно, что количество третьей части осталось неизменным и до пятнадцатиминутного нагрева, и после, что составило 5 734 сайта.

218 генов, в состав которых входили сайты второго набора, стали более активны в ДНК. Причем их процесс протекал без стрессового состояния, которое удалось подавить после воздействия повышения температуры. А вот сайты первой группы находились в составе 151 гена, и их активность была заметно ниже до 15-минутного воздействия, а после нагревания их работа значительна ускорилась. Это показывает, что наличие данных наборов сайтов отлично вступает во взаимодействие с активностью изменения ДНК.

Данный опыт показал, что при стрессовом воздействии управление происходит на небольшом количестве участков генов и составляет лишь 369. В этом количестве генов не было обнаружено ни одного шаперона. Данные гены называют – ДНК раннего отзыва. Они мгновенно реагирует на стрессовое воздействие в данном опыте при 15-минутном воздействии горячего воздуха. До этого исследования было уже доказано, что клетки млекопитающих в стрессовом состоянии в течение одного часа активируют считку генов в суммарном числе 1 500, в то время как подавление насчитывает около 8 000.

В самом начале процесса синтезирования РНК-полимераз встречает РНК SINE-элемент, который оказывает роль сопротивления. Команда называет его простым языком – лежачий полицейский. SINE-элемент не дает молекуле продвинуться вперед. Таким образом, ученые сделали вывод, что РНК SINE-элемент, вступая во взаимодействие с ДНК на определенном участке гена, где обычное расстояние этого отрезка составляет около нескольких тысяч нуклеотидов, запускает процесс подавления транскрипции во время элонгации.

Важный элемент, отвечающий на стресс – белок EZH2

В генетике известен еще с давнего времени белок под названием EZH2. Его участие в процессе сдерживания транскрипции оказалось внезапным, но весьма значительным. Его основанная функция заключается в помощи слияния метильных отрядов с оставшимся лизином в гистоне Н3 на значении H3K27me3. EZH2 является составной частью крупной репрессорной белковой совокупности PRC2 (см. Белки группы polycomb).

До активации пятнадцатиминутного теплового воздействия на участке расположения связующих сайтов первого отряда был размещен РНК SINE-элемент, однако, когда произошел эксперимент тепловым шоком, РНК SINE-элементы начали испаряться, и появляется белок EZH2. Таким образом, в местах расположения связующих сайтов первого отряда РНК SINE-элементов оказывается белок EZH2. Это было отмечено авторами во время проводимого опыта. Белок EZH2 обладает способностью метилировать гистоны, но лишь в сопровождении других белков PRC2. Примечательно, что вместе с данным белком не появляется ни один другой белок из группы PRC2. Создаётся впечатление, что эта замена происходит не просто так. Потому что в связующих участках РНК SINE-элементов не происходит процесса метилирования гистонов несмотря на то, что в данном участке имеется белок EZH2. Вопрос его функций в данном контексте остаётся открытым.

Но и на этот вопрос ученые нашли ответ. Оказывается, EZH2 несет в себе следующие функции:

  1. Повышает процесс разделения РНК SINE-элементов человеческих Alu и мышиных B2 на две и даже три части.
  2. Является продуктивным связующим РНК SINE-элементов.

Но уже в 2019 году в журнале PNAS эти же исследователи утверждают, что процесс расщепления данных элементов возможен при самостоятельном течении. Достигается это за счет рибозимного действия самих же РНК. При этом РНК SINE-элементам необходимо вступить в объемную конформацию, чтобы начался процесс так называемого самостоятельного разрезания молекул на части. Но при участии белка EZH2 данный процесс происходит в несколько сотен раз быстрее, потому что сами по себе молекулы ведут себя не эффективно при разделении.

По завершению исследования ученые составили следующий механизм при стрессовом воздействии:

  1. Первое, что происходит – РНК SINE-элемент в маленьком числе присутствуют у подопытных мышей в обычном спокойном состоянии и содержатся в генах, которые первые дают ответ на стресс. Именно эти элементы не дают запуститься процессу считывания РНК-полимеразой.
  2. Когда возникает стрессовая ситуация, появляется первый импульс об этом.
  3. В результате этого следует реакция: белок EZH2 доходит до участка, где расположены РНК SINE-элементы.
  4. Тем самым белок запускает процесс самоотделения элементов.
  5. Это активизирует считывание молекул ДНК.
  6. Конечным действием является появление белка, который отвечает за активацию и деактивацию различных молекул гена стрессового сигнала.

Исследования, во время которых были созданы условия неестественной блокировки РНК SINE-элементов благодаря РНК-интерференции, помогли выяснить цель пребывания данных молекул вместе с белком EZH2. Оказывается, что именно они являются поводом для стабилизации энергичности молекул ДНК.

В эксперименте участвовала смесь из антисмысловых олигонуклеотидов. Она использовалась для деактивирования SINE-элементов. Эта смесь была создана так, чтобы проявляла свои функции на всех разновидностях последовательностей элементов, и это при том, что их линейка очень велика. Исследователи добивались определенного результата: если стрессовое воздействие будет отсутствовать, то в клетке все равно произойдёт включения генов первого ответа на стрессовую ситуацию или нет. Благодаря исследованиям ученым это удалось воссоздать.

В ходе опыта было заметно снижено количество EZH2 в клетках. Этого удалось добиться также с помощью антисмысловых олигонуклеотидов. Данная помощь должна была привести к деактивации белка. Результатом стало возвращение обычной реакции ответа на стрессовую ситуацию. Это получилось достичь благодаря полученной схеме. Молекулы генов становились неэффективными, хотя ранее мгновенно реагировали и начинали работу при стрессовом воздействии на клетку.

По итогу эксперимента авторы смогли сделать три главных вывода:

  1. Подавлять транскрипцию может белок EZH2, но он должен вступать во взаимодействие с репрессорным комплексом, помогая проходить процессу метилирования гистонов в промоторах молекул ДНК. Также белок может выступать в антиподном положении. Тогда он включает работу генов с помощью воздействия на процесс самоуничтожения РНК SINE-элементов. Ведь именно эти элементы подавляют транскрипцию в самом ее зарождении.
  2. Следующий вывод был продемонстрирован лишь на опыте с мышами и их В2-генами. Для Alu-элементов человека подобное исследование пока не было произведено. При инициации транскрипции РНК SINE-элементы участвуют в блокирование. При этом происходить их взаимодействие с РНК полимеразой II. Однако, когда РНК SINE-элементы связываются с ДНК внутри генома после ступени инициации транскрипции, то они блокирует ее на этапе элонгации.
  3. Определенное количество РНК SINE-элементов имеют возможность активации процедуры самоотделения, и имеют названием рибозимы.

По итогу этого исследования могут возникнуть вполне нормальные вопросы. Например, до сих пор останется загадкой, что же побуждает белок EZH2 при инициации стрессовой ситуации поступать к участку, где расположены локализации РНК SINE-элементов. Остается неизвестным процесс активации генов в период стрессового отклика, которые находятся под защитой от возможного ингибирующего воздействия РНК SINE-элементов. Также абсолютно непонятно, какая процедура или схема служит началом транскрипции самих РНК SINE-элементов все при той же инициации стресса.

А еще хотелось бы получить ответы на занимательные вопросы, например, что по итогу случается с РНК SINE-элементами, когда клетка возвращается в нормальное состояние после стрессовой ситуации? И каким образом она начинает свою обычную активную деятельность? А есть ли вероятность, что белок EZH2 участвует и в этом процессе? А возможно ли, что переизбыток тех самых РНК элементов может самоуничтожиться с помощью определенных неизвестных процессов?

Надеемся, что ответы на эти вопросы мы получим в скором времени. Ведь наверняка эти вопросы возникли не только у нас, а значит, исследования уже ведутся. И в конечном итоге мы обнаружим еще более интересные детали в таком сложном процессе, который хотелось бы рассмотреть подробно.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...

avatar
  Подпишись!  
Уведомлять
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить