Wszystkie komórki organizmu zawierają identyczną sekwencję DNA. O tożsamości i funkcji poszczególnych komórek i tkanek decyduje zestaw genów, które będą aktywne w danym miejscu i czasie. Te aktywne geny są transkrybowane z matrycy DNA na odrębne cząsteczki informacyjnego RNA (mRNA) i będą kodować białka, których komórka potrzebuje do funkcjonowania.

W określonych miejscach zwanych promotorami złożona maszyneria molekularna rozpoczyna transkrypcję sekwencji DNA na mRNA. Co ciekawe, większość genów zawiera wiele możliwych miejsc, w których transkrypcja może się rozpocząć lub zakończyć. Oznacza to, że dla każdego genu, w zależności od miejsca startu lub zakończenia, mRNA mogą być różne. Ekspresja jednego genu w różnych wariantach wielokrotnie zwiększa różnorodność i funkcjonalność genomu. Jednocześnie dodaje kolejną warstwę złożoności do badania genomu.

Migawki RNA od początku do końca

Naukowcy z Instytutu Immunobiologii i Epigenetyki Maxa Plancka we Freiburgu chcieli wiedzieć, ile różnych miejsc początkowych i końcowych wykorzystuje każdy gen, w jakiej kombinacji i czy kombinacje były różne w różnych warunkach. „Problem techniczny, aby odpowiedzieć na to pytanie, polega na tym, że musimy „odczytać” każdą cząsteczkę mRNA ze wszystkich genów od samego początku do samego końca. To ogromne zadanie, którego wcześniej nie podejmowano”, mówi Valérie Hilgers, lider grupy badawczej w MPI-IE.

Naukowcy wykorzystali udoskonaloną technologię sekwencjonowania nowej generacji, aby odczytać poszczególne mRNA. W przypadku konwencjonalnego sekwencjonowania z krótkim odczytem każdy mRNA jest dzielony na krótsze fragmenty, które są amplifikowane, a następnie sekwencjonowane w celu uzyskania „odczytu”. Techniki bioinformatyczne są następnie wykorzystywane do układania odczytów jak układanki w ciągłą sekwencję. Aby uzyskać informacje o pełnej długości mRNA całego genomu w kilku tkankach Drosophila, w tym w mózgu, Hilgers połączył siły z Deep Sequencing Facility MPI, aby zoptymalizować określone technologie sekwencjonowania długiego odczytu. „Sekwencjonowanie długich odczytów pozwala na pobieranie znacznie dłuższych odczytów sekwencjonowania niż szeroko stosowane standardowe sekwencjonowanie. Musieliśmy jednak nawet zoptymalizować tę technologię i kilkakrotnie zwiększyć typową długość odczytu, aby uzyskać informacje o pełnej długości mRNA w naszych różnych systemach modelowych”, mówi Carlos Alfonso-Gonzalez, pierwszy autor publikacji. Oprócz Drosophila, laboratorium Hilgersa włączyło do swoich badań także ludzki model układu nerwowego: organoidy mózgowe – „mini-mózgi” wyhodowane w szalce z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych.
Miejsca końcowe transkrypcji są z góry określone na początku transkrypcji

Zebrane dane reprezentujące każdy mRNA w pełnej skali cząsteczkowej dają bezprecedensowy wgląd w transkrypcję poszczególnych genów. miejsca startu transkrypcji są specyficznie powiązane z odrębnymi miejscami końca transkrypcji”, mówi Valérie Hilgers. To powiązanie jest w rzeczywistości przyczynowe: na przykład w jajnikach sztuczna aktywacja TSS, która normalnie jest używana tylko w mózgu, zastępuje normalny TES i sztucznie indukuje użycie mózgowego TES. Pokazuje to kluczową rolę TSS w kształtowaniu krajobrazu RNA unikalnego dla każdej tkanki, a tym samym wpływaniu na tożsamość tkanki.

Dominacja promotora napędza różnorodność RNA, funkcję genów i tożsamość tkanki

Jednak jedno zjawisko się wyróżniało. „Niektóre TSS wykazują nieoczekiwane zachowanie dominacyjne. Unieważniają konwencjonalne sygnały zakończenia transkrypcji, konkurują z innymi TSS i powodują selekcję różnych TES. W związku z tym nazwaliśmy ich »dominującymi promotorami«”, mówi Carlos Alfonso-Gonzalez. Co więcej, zespół odkrył, że interakcje między tymi dominującymi promotorami a powiązanymi z nimi końcami genów były kierowane przez odrębne sygnatury epigenetyczne. Co ważne, wyniki na komórkach mózgowych Drosophila można powtórzyć w organoidach ludzkiego mózgu, pokazując, że dominacja promotora jest konserwatywnym, być może uniwersalnym mechanizmem regulującym produkcję białek funkcjonalnych i funkcjonalność komórek.

Jakie może być fizjologiczne znaczenie tego nowego mechanizmu? Dzięki dogłębnej analizie zachowania sekwencji naukowcy z Freiburga odkryli, że TSS i TES wykazują koewolucję: w ciągu milionów lat ewolucji między gatunkami, indywidualnym zmianom nukleotydów w genie rozpoczynającym się od dominujących promotorów towarzyszyły zmiany na odpowiednim końcu genu . „Interpretujemy tę obserwację jako „pchnięcie” przez ewolucję, aby utrzymać interakcję między obydwoma końcami genu, co wskazuje na duże znaczenie tych sprzężeń dla sprawności zwierząt” – mówi Valérie Hilgers.