Консервативные микроРНК научились выкручивать флипоны ДНК

Международная команда учёных с участием сотрудников факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ обнаружила новый механизм регуляции генов, в котором ведущую роль играет микроРНК. Эти некодирующие молекулы воздействуют на участки ДНК в генах, определяющих эмбриональное развитие. Исследование позволяет лучше понять механизмы, ответственные за разнообразие генетических программ в сложных многоклеточных организмах. Статья с результатами опубликована в International Journal of Molecular Science.

Живые организмы растут и развиваются на протяжении всей своей жизни. Важную роль в этом процессе играет регуляция генов. Она контролирует активацию (экспрессию) и деактивацию (репрессию) генов в клетке. Данные процессы позволяют клеткам адаптироваться к изменениям во внешней среде, а также контролировать свой рост, развитие и функционирование.

Традиционно учёные изучают регуляцию генов одноклеточных живых организмов (прокариот) на примере оперонов — функциональных групп генов, кодирующих одновременно или последовательно работающие белки. Контроль работы оперонов также выполняют взаимодействующие с ДНК белки.

У более сложных организмов, таких как животные и растения (эукариоты), регуляция генов сложнее и включает множество механизмов на разных уровнях — от взаимодействия транскрипционных факторов с ДНК до контроля синтеза и активности белков. В регуляции генов эукариот также большую роль играют молекулы микроРНК.

В новой работе учёные сконцентрировались на микроРНК, которые имеют высокую степень консервативности — то есть не изменили свою функцию и последовательность нуклеотидов в течение длительного эволюционного периода, а также среди разных видов организмов. Наличие консервативных микроРНК у разных видов многоклеточных животных (Metazoa) указывает на их фундаментальную роль в процессах регуляции генов и развития организмов, поэтому для исследования выбрали именно их.

Учёные проследили взаимодействие микроРНК с флипонами — участками ДНК, которые могут менять свою структуру, запускать или выключать работу генов. Такие флипоны присутствуют в промоторах генов — специальных участках ДНК, которые расположены перед началом гена и определяют, где и когда он начнёт транскрибироваться. Основное внимание было уделено промоторам именно тех генов, которые играют ключевую роль в эмбриональном развитии.

Выяснилось, что микроРНК способны регулировать геном путем изменения структуры флипонов. До этого считалось, что два механизма — регуляция генов с помощью микроРНК и изменение структуры флипонов — изолированы друг от друга. В реальности они оказались взаимосвязаны и могут работать вместе, влияя на процессы эмбрионального развития. Их взаимодействие позволяет быстрее и эффективнее адаптироваться к изменениям в окружающей среде, так как микроРНК могут эволюционировать быстрее, чем белки.

Механизм действия микроРНК и флипонов на уровне эмбриона — своеобразный микрокод, который, подобно компьютерной загрузочной программе, устанавливается в первую очередь, чтобы потом загрузить и установить полную операционную систему.

Мария Попцова
Один из авторов статьи, заведующая Международной лабораторией биоинформатики НИУ ВШЭ

Это открытие дает новое понимание того, как регуляция генов происходит в многоклеточных организмах и влияет на эмбриональное развитие. Полученные исследователями результаты имеют высокую статистическую значимость, превышающую порог в пять стандартных отклонений, установленный для открытий в физических науках, что необычно для биологических наук.

Дополнительные исследования могут расширить наше понимание того, как совместное действие микроРНК и флипонов приводит к точной и динамической регуляции генов на разных этапах эмбрионального развития. Это может привести к открытию новых молекулярных механизмов, ответственных за разнообразие генетических программ и их координацию в сложных многоклеточных организмах.

Мария Попцова
Один из авторов статьи, заведующая Международной лабораторией биоинформатики НИУ ВШЭ

IQ

26 апреля, 2023 г.