Ученые выяснили, почему регуляция экспрессии генов c помощью микроРНК так распространена и консервативна, хотя лишь слегка снижает количество продуктов большинства генов-мишеней. Оказывается, микроРНК помогают уменьшить экспрессионный «шум» — то есть вариабельность, возникающую при реализации генетической информации случайно.
Рисунок 1 (нажмите для увеличения). Некоторые источники шума активности гена.
Живые организмы — это очень неаккуратные структуры. Если взять клетки одного организма (то есть обладающие одним и тем же набором генов) и даже одной ткани (то есть такие, в которых активны одни и те же гены), всё равно у них можно обнаружить большой разброс характеристик. Например, они могут отличаться количеством РНК, которая образуется в результате работы одного и того же гена. Такой «шум» — вариабельность характеристик, которые, казалось бы, не должны различаться, — может возникать по разным причинам (рис. 1). Причина шума может быть внешней — например, из-за разной удаленности клеток от сосуда в определенный момент времени могут отличаться количества доступных для них питательных веществ. Тогда у клетки может быть недостаточно ресурсов, чтобы синтезировать такое же количество белка, как другая клетка, хотя они и посылали своему белок-синтезирующему аппарату одинаковые сигналы. Шум может быть и внутренним — возникать независимо от внешних условий: например, белки, передающие в клетках один и тот же сигнал, могут по случайным причинам добраться до цели за различные промежутки времени, и одна клетка справится с каким-то действием быстрее другой.
Ученым давно хотелось, чтобы этот хаос оказался аккуратно контролируемым, поэтому они искали способы, которыми клетка могла бы следить за шумом и влиять на него, если это необходимо. У клетки есть много способов модулировать и активность генов, и наработку разных типов молекул. Один из таких способов — контроль с помощью молекул микроРНК (miRNA). Эти короткие молекулы по принципу комплементарности «налипают» на определенные молекулы матричной РНК (мРНК), представляющие собой инструкции для синтеза белков. МикроРНК тем самым препятствуют трансляции тех мРНК, на которые они налипли, и могут приводить к их деградации. МикроРНК широко распространены у животных и растений при том, что чаще всего оказывают только слабый эффект на экспрессию целевых генов, а нокаут (отключение) микроРНК обычно не ведет к ощутимым последствиям для организма. Тем не менее этот механизм регуляции генов очень распространен и консервативен, а значит, для чего-то важен. Ученые заподозрили, что микроРНК могут контролировать шум экспрессии генов, и решили проверить эту гипотезу экспериментально.
Генетическая конструкция для исследования шума экспрессии генов
Рисунок 2. Генетическая конструкция для исследования шума экспрессии генов. Под контролем двунаправленного промотора (pTRE-Tight) синтезируются РНК, кодирующие зеленый (ZsGreen) и красный (mCherry) белки. В некодирующую область (3’-UTR) красного белка добавлены сайты связывания микроРНК (в контрольных экспериментах таких сайтов нет). Ученые отбирали клетки с одинаковым уровнем зеленого белка и оценивали, как у таких клеток разброс количеств красного белка зависит от наличия сайтов связывания микроРНК.
Чтобы исследовать шум экспрессии генов, интернациональный коллектив биологов получил плазмидные конструкции с двунаправленным промотором, контролирующим одновременно два репортерных гена — зеленого и красного флуоресцентных белков (рис. 2). С гена красного белка синтезировалась РНК с дополнительным некодирующим фрагментом, в котором располагались сайты для налипания микроРНК (в контрольных экспериментах некодирующий фрагмент не содержал таких сайтов). Таким образом, на экспрессию зеленого белка не влияли, а наработка красного белка либо специально не регулировалась (контрольный эксперимент), либо регулировалась микроРНК. Ученые отобрали клетки, в которых синтезировались одинаковые количества зеленого белка и сравнили, насколько у таких клеток отличаются количества белка красного. Если у РНК последнего не было сайтов связывания микроРНК, то разброс количеств красного белка отражал естественный шум, а если эти сайты были — то шум при регуляции микроРНК. Результаты получились интересными: для слабо экспрессирующихся генов микроРНК уменьшала шум, а для активно экспрессирующихся — наоборот, увеличивала. При этом чем точнее соответствовал сайт связывания последовательности микроРНК и чем больше было таких сайтов, тем более выраженными были изменения шума.
Экспрессия генов ZsGreen и mCherry
Рисунок 3. Экспрессия генов ZsGreen и mCherry с идентичными некодирующими областями (3’- UTR). Если в гены двух белков встраивали сайты связывания одной и той же микроРНК, разница в количестве этих белков зависела лишь от внутренних факторов.
Ученые построили математическую модель регуляции активности генов с помощью микроРНК, представив общий шум активности гена как сумму внутреннего и внешних шумов. Модель предсказала, что микроРНК будут уменьшать шум, обусловленный внутренними причинами, но одновременно служить дополнительным источником внешнего шума. Каков будет суммарный эффект, зависит от активности гена: для слабо экспрессирующихся генов перевесит эффект подавления внутреннего шума, и общий шум уменьшится, а для активно экспрессирующихся, наоборот, перевесит эффект увеличения внешнего шума, и общий шум усилится. То есть результаты моделирования совпали с результатами первого эксперимента. По модели можно было предсказать, что в случае избавления от источников внешнего шума микроРНК будет ослаблять шум как для сильно, так и для слабо экспрессирующихся генов. Но как можно исключить внешний шум? Для этого ученые добавили в оба гена цветных белков одинаковые регуляторные последовательности (рис. 3). В этом случае различия в наработке белков внутри клетки могут объясняться только внутренним шумом. Действительно, оказалось, что для генов, активность которых контролируется одним и тем же способом, микроРНК уменьшали шум и при сильной, и при слабой экспрессии.
Но что насчет экспрессии самих микроРНК — она ведь тоже подвержена шуму и может стохастически меняться? Как микроРНК могут способствовать уменьшению шума экспрессии генов, если количество самих микроРНК тоже зависит от случайностей? Ученые предположили, что уровень микроРНК может стабилизироваться за счет наработки одной и той же молекулы с нескольких копий гена. Тогда, если по случайности с одного гена образуется меньше или больше молекул, это будет не так заметно благодаря работе другого гена, и общее количество микроРНК будет относительно стабильным. Кроме того, в природе многие гены регулируются несколькими разными микроРНК — в этом случае, опять же, случайные флуктуации содержания одной из них будут сглаживаться наработкой других. Действительно, когда ученые наблюдали за экспрессией конструкций, контролируемых сразу несколькими микроРНК или одной и той же микроРНК, синтезируемой с нескольких копий гена, шум снижался по сравнению с контролем, где участвовал РНК-продукт всего одной копии гена.
Предсказание влияния микроРНК на шум экспрессии генов
Рисунок 4. Предсказание влияния микроРНК на шум экспрессии генов с различными 3’-UTR. Контроль в каждом случае отличался мутацией в сайтах связывания микроРНК, т.е. ими не регулировался. Красная пунктирная линия обозначает максимально возможное снижение шума. Видно, что для большинства генов микроРНК уменьшают экспрессионный шум.
Какой эффект оказывают микроРНК на всю совокупность генов клетки? В качестве «живой» модели ученые использовали мышиные эмбриональные стволовые клетки и, исходя из уровня экспрессии их генов и результатов моделирования, предсказали, как микроРНК будут влиять на шум. Оказалось, что для подавляющего большинства генов шум уменьшается, и лишь для небольшой доли активно экспрессирующихся генов он усиливается (рис. 4). Это происходит не только потому, что последних в каждой клетке не так много, но и потому, что в их мРНК, как показали предыдущие исследования, реже встречаются сайты для регуляции микроРНК.
Подводя итоги можно сказать, что микроРНК в клетках занимаются снижением шума экспрессии генов, возникающего из-за случайных (внутренних) причин. Благодаря этим малым молекулам экспрессия генов (особенно не слишком активных) становится более стабильной и предсказуемой.
Источник: БИОМОЛЕКУЛА
