Banbrytande teknik avslöjar ett nytt lager av mänsklig genetisk reglering

By | February 10, 2024

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


DNA, som har en dubbel helixstruktur, kan ha många mutationer och genetiska variationer. Kredit: NIH

× nära


DNA, som har en dubbel helixstruktur, kan ha många mutationer och genetiska variationer. Kredit: NIH

En teknik kan för första gången avgöra hur ofta och exakt var en molekylär händelse som kallas “backtracking” inträffar i hela det genetiska materialet (genomet) hos någon art, visar en ny studie.

Publicerad online 9 februari kl molekylär cell, Studieresultaten stödjer teorin att backtracking representerar en genomgripande form av genetisk reglering, som påverkar tusentals mänskliga gener, inklusive många involverade i grundläggande livsprocesser som celldelning och utveckling i livmodern.

Under ledning av forskare vid New York University Grossman School of Medicine kretsar arbetet kring gener, de molekylära “bokstäverna” av DNA som är ordnade i en viss ordning (sekvens) för att koda ritningarna av de flesta organismerna. Hos både människor och bakterier sker det första steget i genuttryck, transkription, när en “proteinmaskin” som kallas RNA-polymeras II löper längs DNA-strängen och läser de genetiska instruktionerna i en riktning.

1997, Evgeny Nudler, Ph.D. och hans kollegor publicerade en artikel som visar att RNA-polymeras ibland kan röra sig bakåt längs den sträng som den läser, ett fenomen som de kallade “backtracking”. Sedan dess har studier visat att backtracking ibland inträffar i levande celler strax efter att RNA-polymeras påbörjat RNA-syntes eller när det möter skadat DNA för att ge plats åt inkommande reparationsenzymer.

Senare arbete antydde att bakåtspårnings- och reparationsmaskineriet måste arbeta snabbt och försvinna, annars kunde det kollidera med DNA-polymeras och orsaka brott i DNA-strängar som inducerar celldöd.

Nu avslöjar en ny studie ledd av Nudlers team vid NYU Langone Health att deras nya teknik, långdistansexcisionssekvensering (LORAX-seq), direkt kan upptäcka var rekylhändelser börjar och slutar. Genom att komplettera tidigare tillvägagångssätt som var indirekta eller begränsade avslöjar den nya metoden att många av dessa händelser avtar längre än man tidigare trott och på så sätt varar längre.

Resultaten tyder också på att ihållande bakåtspårning förekommer ofta i hela genomet, förekommer oftast nära vissa typer av gener och har funktioner långt bortom DNA-reparation.

“Den överraskande stabiliteten av backtracking över längre avstånd gör det troligt att det representerar en allestädes närvarande form av genreglering i arter från bakterier till människor”, säger Nudler, senior författare till studien och Julie Wilson Anderson professor vid institutionen för biokemi och molekylär. Farmakologi vid NYU Langone.

“Om ytterligare arbete utökar våra fynd till olika utvecklingsprogram och patologiska tillstånd, kan regressering likna epigenetik, vars upptäckt avslöjade ett överraskande nytt lager av genreglering utan att ändra DNA-koden.”

Centralt i livet?

RNA-polymeras II översätter DNA-koden till ett relaterat material som kallas RNA, som sedan styr konstruktionen av proteiner. För att göra detta flyttar komplexet ner DNA-strängarna i en riktning, men backar i vissa scenarier. Tidigare studier har visat att när RNA-polymeras II reverserar, skjuter det ut (extruderar) från sin inre kanal spetsen av RNA-strängen som den har byggt baserat på DNA-koden.

Eftersom långvarig backtracking är benägen att orsaka skadliga kollisioner, tros transkription snabbt återställas av transkriptionsfaktor IIS (TFIIS), som främjar klyvning (klyvning) av det extruderade och “backtracked” RNA:t. Detta banar vägen för RNA-polymeras II att återuppta sin direkta läsning av koden.

Andra tidigare studier har emellertid visat att när polymeraset backar över ett visst avstånd (t.ex. 20 nukleobasblock av DNA), kan det backtracked RNA:t binda till kanalen genom vilken det extruderas och hålla det på plats längre. Blockerade och regresserade komplex är mindre benägna att räddas av TFIIS-driven klyvning och är mer benägna att fördröja transkriptionen av den involverade genen.

Detta ledde till teorin att backtracking, förutom att spela en nyckelroll i DNA-reparationsvägar, kan öka eller minska verkan av gener som en viktig regleringsmekanism.

Enligt forskarna produceras TFIIS troligen i låga koncentrationer i levande celler och tävlar med hundratals andra proteiner för att nå och skära det backtracked RNA så att transkriptionen kan fortsätta.

I den aktuella studien använde teamet en hög koncentration av renat TFIIS (utan konkurrerande proteiner) för att exakt skära eventuella backtracked RNA-fragment var som helst i en cells genetiska kod. Detta gjorde de klippta fragmenten tillgängliga för teknologier som läser kodsekvenser och ger ledtrådar om deras platser och funktioner.

Forskargruppen fann också att gener som kontrollerar histoner (spolar av proteiner som DNA-strängar lindar in i kromatin som organiserar genuttryck) är mycket benägna att ihållande regress.

Författarna teoretiserar att graden till vilken detta händer, med relaterade förändringar i transkriptionen av vissa gener, kan styra tidpunkten för den storskaliga histonackumulering som behövs under celldelning för att återuppbygga kromatin. De föreslår också att ihållande regress kan påverka den snabba transkriptionen av gener som är avgörande för vävnadsutveckling.

“Tillsammans med dess potentiellt användbara funktioner kan ihållande backtracking också leda till DNA-skador och andra genetiska dysfunktioner som bidrar till sjukdomen”, säger studiens första författare, Kevin Yang, en doktorand i Dr. Nudlers labb.

“Vi spekulerar i att mätning av regression i samband med åldrande eller cancer, till exempel, kan hjälpa oss att förstå varför dysfunktioner i cellulär stressrespons och cellreplikation uppstår, och föreslå nya behandlingsmetoder.”

Tillsammans med Yang och Nudler var studieförfattare från institutionen för biokemi och molekylär farmakologi vid NYU Langone Health Aviram Rasouly, Vitaly Epshtein, Criseyda Martinez, Thao Nguyen och Ilya Shamovsky. Nudler är också utredare vid Howard Hughes Medical Institute.

Mer information:
Persistens av rekyl av humant RNA-polymeras II, Molekylär cell (2024). DOI: 10.1016/j.molcel.2024.01.019. www.cell.com/molecular-cell/fu… 1097-2765(24)00055-8

Tidningsinformation:
Molekylär cell

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *