U tipičnoj ćeliji, geni kodirani u DNK se koriste za pravljenje glasničke RNK (mRNA), koja se koristi za pravljenje proteina, a ovaj proces ekspresije gena održava ćeliju da radi. Ekspresija gena je regulisana u svakoj ćeliji tako da su specifični geni uključeni (stvarajući proteine) i njihov izlaz se povećava ili smanjuje, podstičući identitet i ponašanje svake ćelije.
Međutim, postoji neobičan skup ćelija u kojima ekspresija gena ne može da prati svoj tipičan obrazac: razvoj jaja i embriona u koje mogu da izrastu. U ovim ćelijama postoji kratak period pre nego što genom embriona bude spreman za ekspresiju kada se od gena ne prave nove mRNK. Jedini genetski materijal sa kojim ćelije moraju da rade je zaliha mRNK prethodno napravljenih od majčinog genoma.
Bez mogućnosti da naprave novu mRNK, ćelije moraju umesto toga da regulišu ekspresiju gena prilagođavajući koliko proteina se pravi od svake od zaliha mRNK u bilo kom trenutku. Takođe moraju pažljivo odrediti vreme uklanjanja mRNK majke. Ako ćelije prerano razgrađuju RNK majke, nema dostupnih rezervnih kopija. Ako prekasno razgrađuju RNK majke, to može ometati predaju u kojoj genom embriona preuzima od genoma majke.
Zbog ove jedinstvene situacije, jaja i embrioni u razvoju razvili su jedinstven sistem za regulisanje svojih mRNK. U istraživanju objavljenom u časopisu Razvojna ćelija 8. marta, član Instituta Vajthed Dejvid Bartel, takođe profesor biologije na Tehnološkom institutu u Masačusetsu i istraživač na Medicinskom institutu Hauarda Hjuza, i postdoktor u svojoj laboratoriji Kehui Ksiang detaljno opisuje složeni regulatorni sistem koji ove ćelije koriste za upravljanje svojim zalihama mRNA i njenim izlazom.
Svaka mRNA ima rep sastavljen od niza adenozina ili „A“, jednog od gradivnih blokova ili baza RNK. Ovo se zove njegov poli(A) rep. Istraživači su znali da je u razvoju jajnih ćelija i ranih embriona efikasnost mRNK, ili brzina kojom se ona koristi za proizvodnju proteina, zasnovana na dužini njenog repa; što je rep duži, to će se proizvoditi više proteina. (Izvan ovog perioda ranog razvoja, poli(A) rep igra drugačiju ulogu.)
Pošto dužina repa određuje efikasnost mRNK, ono što su Bartel i Sjang želeli da saznaju je šta reguliše dužinu repa mRNK. Šta god da reguliše dužinu repa, na kraju reguliše ekspresiju gena u ovim ćelijama.
Ksiang i Bartel su započeli svoju potragu posmatrajući region unutar svake mRNK koji sadrži nekodirajuću ili neprevedenu RNK. Svaka mRNA ima neprevedene regione, a oni mogu sadržati različite regulatorne sekvence koje utiču na to kako drugi molekuli reaguju sa mRNK.
Istraživači su znali da 3′ neprevedeni region mRNA sadrži dve sekvence koje su potrebne da bi se rep RNK produžio kada je izvan jezgra: sekvencu koja se zove citoplazmatski element poliadenilacije (CPE) i jednu koja se zove signal poliadenilacije (PAS) .
CPE i PAS su svako mesto vezivanja, sa sekvencama koje odgovaraju specifičnim proteinima. Odgovarajući proteini se vezuju za ta dva mesta i zajedno sa drugim proteinima formiraju mašineriju koja dovodi do produžavanja repa.
Istraživači su znali sekvencu PAS-a, ali je tačan identitet CPE bio neuhvatljiv. Predložene su različite sekvence, ali mnoge mRNK koje se podvrgavaju produženju repa nisu sadržale nijedan od predloženih CPE.
Ksiang i Bartel su koristili sistematski pristup da identifikuju CPE žaba. Stvorili su biblioteku od miliona mRNK, od kojih svaka ima različite sekvence u 3′ neprevedenom regionu. Zatim su pogledali šta se desilo sa dužinom repa ovih mRNK u jajima žaba u razvoju. Na kraju, ovo im je omogućilo da se suze na CPE: UUUUA, niz od pet baza.
Pronašli su dokaze da je ovaj CPE sačuvan u evoluciji i da ga dele miševi i ljudi. Takođe su otkrili da riblji embrioni imaju malo drugačiji CPE, u kojem poslednja baza sekvence može biti ili A ili U.
Nakon što su identifikovali CPE, istraživači su mogli eksperimentisati kako bi utvrdili šta modifikuje efekat CPE na dužinu repa. Otkrili su da baze sa obe strane CPE-a mogu ojačati njegov efekat – ovo može objasniti neke od prethodno predloženih CPE-ova, koji su obično bili duži nizovi. Isto tako, baze najbliže PAS-u mogu modifikovati njegov efekat.
Drugi faktori modifikacije uključivali su koliko je kopija CPE i PAS bilo prisutno u mRNK, koliko je CPE bio blizu PAS i koliko je PAS bio blizu repa mRNA. Kombinacija ovih faktora određuje koliko dugo će rep mRNK dobiti, što dovodi do visoko individualizovanih dužina repa preko mRNK pronađenih u jajima i embrionima u razvoju.
„Postoji veoma složena tapiserija promena dužine repa koja se obično dešava u ranom razvoju, i bila je misterija kako se to dešava. Sada imamo osećaj zašto se različite mRNA ponašaju tako različito jedna od druge“, Bartel kaže.
Bartel i Ksiang su otkrili da dok samo nekoliko sekvenci utiče na produžavanje repa, različite sekvence su uključene u skraćivanje repa u razvoju jaja i ranih embriona. Različiti regulatori utiču na različite mRNK, tako da ćelije mogu potisnuti majčinu mRNK u ciljanim talasima.
Repovi mnogih mRNK se skraćuju u početnom velikom talasu, a zatim manji talasi skraćuju repove na individualizovaniji način, omogućavajući pažljivu orkestraciju prebacivanja dalje od kontrole genoma majke.
Istraživači su takođe identifikovali načine na koje ćelije mogu da potisnu mRNK nezavisno od dužine repa. Ako mRNA sadrži delove citozina ili „C“ baza u 3′ neprevedenom regionu, to potiskuje iRNK. Takođe, kada su nezrele jajne ćelije u stanju mirovanja pre konačnog sazrevanja, sadržaj CPE potiskuje mRNA.
Ovaj nalaz je u skladu sa prethodnim istraživanjima i ima smisla s obzirom na to da su mnogi geni koje su Bartel i Ksiang identifikovali kao da sadrže CPE povezani sa deobom ćelija. Ovi geni moraju biti isključeni tokom mirovanja, a zatim moraju biti veoma aktivni tokom razvoja jajeta i embriona. Sa svojim dvostrukim ulogama, CPE radi kao elegantan prekidač između ovih stanja.
Sjang i Bartelova otkrića daju sliku zamršenog sistema regulacije iRNK tokom ranog razvoja. Ovo omogućava precizno podešavanje, tako da se izlaz svake mRNK može podesiti na pravi nivo u svakoj fazi razvoja. Ovaj rad baca svetlo na to kako jedna oplođena jajna ćelija započinje neverovatan proces pretvaranja u potpuno novi organizam.
Praćenje može dodatno rasvetliti kako ovi mehanizmi utiču na plodnost. Ksiang i Bartel koriste svoja otkrića za kreiranje algoritama koji mogu predvideti dužinu repa date mRNA. Istraživači planiraju da koriste svoje alate za predviđanje kako bi stekli uvid u žensku neplodnost. Na primer, kako mutacije genetskih sekvenci koje su uključene u produžavanje repova mRNA utiču na vitalnost jajeta ili embriona?
„Nije posvećeno puno pažnje mutacijama u 3′ neprevedenom regionu jer je to nekodirajući region, ali se nadamo da ćemo sa više genomskih podataka i našim poboljšanim modeliranjem moći precizno odrediti ljudske genetske varijante koje bi potencijalno mogle imati uticaj na plodnost. To je veliki deo naše motivacije“, kaže Ksiang.
