Учёные впервые представили план самой сложной молекулярной машины в биологии человека (сплайсосомы)
После более чем десятилетних исследований биологам удалось совершить небывалый успех: создать первую подробную карту сплайсосомы человека, одной из самых сложных молекулярных структур в биологии человека. По словам исследователей, эта точная карта может позволить медикам с беспрецедентной точностью находить ошибки сплайсинга в клетках пациентов и разрабатывать целевые методы лечения для исправления этих аномалий.
В человеческом организме каждая клетка нуждается в определенных инструкциях ДНК, которые затем транскрибируются в РНК. Затем эта РНК подвергается процессу ревизии, известному как «сплайсинг». Другими словами, сплайсинг заключается в удалении некодирующих сегментов мессенджерной РНК, называемых интронами, для получения зрелой мРНК. Оставшиеся кодирующие последовательности, экзоны, затем группируются вместе, образуя матрицу, необходимую для создания белков. Альтернативный сплайсинг, в свою очередь, увеличивает разнообразие эукариотического протеома, позволяя образовывать несколько изоформ мРНК из одной и той же пре-мРНК.
Хотя в геноме человека насчитывается около 20 000 генов, кодирующих белки, альтернативный сплайсинг может генерировать в пять раз больше изоформ белка. Однако ошибки в этом процессе могут привести к широкому спектру заболеваний, включая нейродегенеративные состояния, генетические нарушения и некоторые виды рака.
Центральную роль в редактировании РНК играет сплайсосома. Это объединение 150 белков и пяти молекул РНК управляет всем процессом. Изменяя генетические сообщения, транскрибируемые из ДНК, клетки могут генерировать различные версии белков. Однако точная роль каждого белка и каждой малой молекулы РНК остается во многом неизвестной. Огромное количество компонентов, участвующих в работе сплайсосомы, делает ее практически неисследованной областью биологии человека. Именно эта проблема побудила исследовательскую группу Центра регулирования генома (CRG).
Углубленное изучение роли компонентов сплайсосомы
«Препараты, исправляющие ошибки сплайсинга, изменили лечение некоторых редких заболеваний, таких как спинальная мышечная атрофия. Данная модель обещает распространить этот успех на другие патологии и сделать эти методы лечения более распространенными», — говорит Хуан Валькарсель, профессор-исследователь Каталонского института исследований и разработок (ICREA) и научный сотрудник CRG. В рамках своего исследования, опубликованного в журнале , ученые уточнили, что они поочередно подавили экспрессию 305 кодирующих генов, связанных со сплайсосомой (SF), в раковых клетках человека, чтобы проследить влияние сплайсинга в масштабах всего генома.
«В нашем исследовании представлен масштабный транскриптомный анализ систематической инактивации 305 компонентов и регуляторов сплайсосомы в раковых клетках человека, а также реконструкция функциональных сетей факторов сплайсинга, регулирующих различные классы альтернативных решений сплайсинга», — пишут исследователи в своем исследовании.
Их исследование подчеркнуло тот факт, что компоненты сплайсосомы имеют различные функции, что объясняет, почему в отсутствие знаний об этих функциях многие компоненты не учитывались при разработке лекарств. «В совокупности наши результаты демонстрируют, как крупномасштабное систематическое исследование сплайсосомы и ее регуляторных факторов вместе с подходами к реконструкции функциональных сетей может выявить механистическую информацию о регуляторной активности FS в различных биологических контекстах», — отметили они.
Команда также обнаружила, что белки, расположенные в сердце сплайсосомы, играют решающую роль в том, как обрабатываются генетические сообщения. По словам ученых, пока один компонент выбирает интрон для удаления, другой следит за тем, чтобы разрезы были сделаны точно в нужном месте в последовательности РНК, а третий — за тем, чтобы другие компоненты не вмешивались слишком быстро.
Однако самое поразительное открытие, сделанное командой, заключается в том, что простое нарушение одного компонента может дестабилизировать всю сеть. В ходе эксперимента команда манипулировала компонентом SF3B1 сплайсосомы, который предназначен для производства противораковых препаратов. Ученые обнаружили, что эта модификация запустила серию событий, затрагивающих почти треть сети, вызвав череду сбоев, которые изменили способность клетки поддерживать себя.
«Раковые клетки демонстрируют так много изменений в сплайсосоме, что они уже граничат с биологическим правдоподобием. Их зависимость от сильно взаимосвязанной сети сплайсинга — потенциальная «ахиллесова пята», которую мы можем использовать для разработки новых методов лечения, и наша модель предлагает способ выявить эти уязвимости», — говорит Валькарсель. По словам команды, это открытие позволяет лучше понять работу сплайсосомы и открывает путь к «целенаправленной обработке РНК для терапевтического вмешательства в заболевания, связанные с дисрегуляцией сплайсинга».
«Мы вступаем в эру, когда можно будет лечить заболевания на транскрипционном уровне, разрабатывая препараты, модифицирующие болезнь, а не просто устраняющие симптомы. Разработанная нами модель открывает путь к совершенно новым терапевтическим подходам. Это лишь вопрос времени», — заключает Малгожата Рогальска, соавтор исследования.