Nye kontroller for genekspression

Nogle store ideer ser ud til at komme ud af ingenting, men i 2008 gik Chuan med bevidst efter en. De amerikanske nationale institutter for sundhed havde netop lanceret tilskud til støtte for højrisikoprojekter med høj effekt, og han, en kemiker ved University of Chicago i Illinois, ønskede at anvende. Men han havde brug for en god tonehøjde.

Han havde studeret en familie af proteiner, som reparerer beskadiget DNA, og han begyndte at mistanke om, at disse enzymer også kunne virke på RNA. Med held lykkedes han ind i molekylærbiologen Tao Pan, som havde undersøgt specifikke kemiske mærker, kaldet methylgrupper, der er til stede på RNA’er. Parret arbejdede i samme bygning ved University of Chicago, og begyndte at mødes regelmæssigt. Disse mærker virker som en kemisk notation, der fortæller cellen, hvilke gener der skal udtrykkes og som at tavle. Som sådan hjælper epigenomet med at forklare, hvordan celler med identisk DNA kan udvikle sig til de mange specialiserede typer, der udgør forskellige væv. Mærkerne hjælper celler i hjertet, for eksempel vedligeholder deres identitet og ikke bliver til neuroner eller fedtceller. Misplacerede epigenetiske mærker findes ofte i kræftceller.

Da han og Pan begyndte at arbejde sammen, fokuserede de fleste epigenetiske undersøgelser på de tags, der er forbundet med DNA og de histonproteiner, som det ombryder. Men mere end 100 forskellige typer kemiske mærker var blevet identificeret på RNA, og ingen vidste hvad de gjorde. Nogle af de enzymer han studerede kunne fjerne methylgrupper, og han og Pan undrede sig over, om en af ​​dem kunne arbejde på RNA. Hvis mærkerne kunne vendes, kan de udgøre en helt ny måde at kontrollere genekspression på. I 2009 fik de midler til at jage på reversible mærker på RNA og de proteiner, der sletter dem.

Ni år senere har sådanne undersøgelser givet deres egen egen, epitranscriptome. Han og andre har vist, at en methylgruppe bundet til adenin, et af de fire baser i RNA, har afgørende roller i celledifferentiering og kan Bidrage til kræft, fedme og mere1, 2. I 2015 afdækkede han ’s lab og to andre hold det samme kemiske mærke på adeninbaser i DNA (methylmærker var tidligere kun fundet på cytosin), hvilket tyder på, at epigenomet kan være lige Rigere parajumpers jakke 2013 end tidligere forestillet3. Forskning har taget af. ‘Jeg tror, ​​at vi nærmer os en epigenomik og epitranscriptomics guldalder’, siger Christopher Mason, en genetiker ved Weill Cornell Medical College i New York. ‘Vi kan faktisk begynde at se alle disse ændringer, som vi vidste, har været der i årtier .’

Markering af budbringeren Den styrende parajumpers jakke herre regel for molekylærbiologi holder det centrale dogma, at informationen flyder fra DNA til messenger RNA til protein. Mange forskere betragtede derfor mRNA som lidt mere end en kurér, der bragte den genetiske information kodet i en cellekern til proteinfabrikkerne i cytoplasma. Det var en grund til, at få forskere var meget opmærksomme på modifikationerne til mRNA.

De var ‘hemmelige’. Mærket, der skubbede Han til forkant med epitranscriptomics blev først opdaget på mRNA i 1974 (ref. 4). Fritz Rottman, en organisk kemiker ved Michigan State University i East Lansing, forsøgte at forstå RNA’s rolle i regulering af genekspression, da han snuble over en methylgruppe på adenin. Den modificerede base kaldes N6 methyladenosin, en mundfuld, der ofte er forkortet til m6A.

Rottman og hans kolleger skrev, at RNA-methylering kunne være en måde at vælge bestemte transkripter til oversættelse til protein. Holdet havde ikke en god måde at undersøge markens sande funktion. ‘Det var starten på molekylærbiologi. Vi havde ikke mange af de værktøjer, der er tilgængelige nu,’ siger hun.

Mere end tre årtier senere fandt han og pan værktøjerne stadig mangler. ‘Det er meget svært at faktisk studere disse ændringer,’ siger Pan. Det kræver kraftige massespektrometri og høj gennemstrømningssekventeringsteknikker.

To medlemmer af hans laboratorium på det tidspunkt, Ye Fu og Guifang Jia, skød alligevel fremad og fokuserede på et protein kaldet FTO, en del af familien af ​​methylstrippende enzymer, som hans gruppe havde studeret. Fu og Jia troede, at det kunne fjerne methylgrupper fra RNA, men de kæmpede for at identificere sit mål. Fu og hans kolleger begyndte at syntetisere uddrag af RNA, der indeholdt forskellige modifikationer, for at afgøre, om FTO kunne fjerne dem. Det gik langsomt. I løbet af tre år står teamet overfor en række fejl: ‘Jeg troede næsten aldrig, jeg ville aldrig finde funktionen,’ siger Fu.

Endelig besluttede teamet i 2010 at teste FTOs aktivitet på m6A den methylerede adenin. Mærket forsvandt. Holdet havde for første gang vist, at RNA-methylering var reversibel5 ligesom markerne på DNA og histoner. Til Han, Det syntes som et bevis på et RNA-baseret system af genregulering.

Bevisfæstninger Han er ikke den eneste, der tænkte på m6A. I 2012 offentliggjorde to hold af forskere uafhængigt de første kort over hvor m6A forekommer6, 7. Studierne afslørede mere end 12.000 methylerede steder på mRNA’er stammer fra ca. 7.000 gener.

Kortene viste, at fordelingen af ​​m6A ikke er tilfældig. Dens placering foreslog, at mærket kunne have en rolle i alternativ splejsning af RNA-transkripter, en mekanisme, der gør det muligt for cellerne at producere flere versioner af et protein fra et enkelt gen.

I de senere år har forskere identificeret nogle af de maskiner, der er involveret i regulering af disse mærker. Efterhånden som identiteterne af disse proteiner opstod, er forskerne kommet til at forstå, at m6A påvirker ikke kun RNA-splejsning, men også oversættelse og RNA-stabilitet.

En m6A-læser, for eksempel, gør mRNA nedbrydning hurtigere ved at parajumpers jakke dame skubbe den til at forfalde steder i cellen. En anden m6A-læser fremmer proteinproduktion ved herdning af methyleret RNA til ribosomet.

Hvorvidt m6A leder en celle til at producere et protein eller ødelægge et transkript afhænger af placeringen af ​​mærket og på læseren, der binder til det. Men forståelsen af, hvordan dette valg fungerer, har været en stor udfordring, siger Gideon Rechavi, en genetiker ved Tel Aviv Universitet i Israel, der var involveret i kortlægningen af ​​m6A.

Det er klart, at m6A har grundlæggende roller i celledifferentiering. Celler, der mangler mærket, sidder fast i en stamme eller stamfader som stat.

Han har en mulig forklaring på rollen som m6A. Hver gang en celle skifter fra en tilstand til en anden, såsom under differentiering, skal mRNA’erne i det også ændres. Denne ændring i mRNA-indhold, som han kalder en transcriptome-switch, kræver præcision og omhyggelig timing. Han mener, at methylmærkerne kan være en måde for cellerne at synkronisere aktiviteten af ​​tusindvis af transkripter.

Selvbeskrivet ‘RNA geek’ Wendy Gilbert, biolog ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, siger, at hans forklaring er plausibel. ‘En af de ting, jeg virkelig kan lide om Chuan’s præsentationer i de sidste par år, er Hans indsats for at forsøge at tale med det, der er det vigtigste aspekt af mærket, ’siger hun. Men hun påpeger, at der er andre måder at koordinere ekspressionen af ​​store grupper af gener, såsom microRNA’er, små bit RNA, der ikke koder for proteiner, og som hjælper med at tavle gener. ‘Jeg ved ikke, at m6A er den eneste måde, du kan gøre det på,’ siger hun.

A’erne har det Selvom videnskabsmænd har længe vidst, at RNA bærer en lang række modifikationer, der dekorerer billige Parajumpers jakker alle fire af sine baser, forekommer pattedyrs DNA kun at have få mærker, alt på cytosin. Den mest almindelige ændring i pattedyr, 5 methylcytosin eller 5mC , Er så vigtigt, at det ofte kaldes ‘femte basis’ efter A, C, T og G. Men han undrede sig over, om der kunne være andre mærker, der gemmer sig i genomet. Bakterier bærer DNA-ækvivalenten af ​​m6A kaldet N6-methyladenin eller 6mA. ‘De bruger methyleringen til at skelne mellem deres eget DNA eller fremmed DNA,’ siger Eric Greer, biokemiker på Boston Children’s Hospital i Massachusetts. Men forskere kæmpede for at bekræfte sin tilstedeværelse i mere komplekse organismer.

I 2013 havde han postdoc Fu fundet et spændende papir fra 1970’erne, hvilket viste at alg DNA indeholder methyleret adenin9. ‘Ingen har nogensinde kendskab til funktionen, og ingen har nogensinde fulgt op,’ siger Fu.

Fu og en anden postdoc, Guan Zheng Luo, besluttede at tage undersøgelsen videre og kortlægge fordelingen af ​​6mA i alg Chlamydomonas DNA. De fandt den i mere end 14.000 gener. Og fordelingen var ikke tilfældig: 6mA grupperet omkring de steder, hvor transkription begynder. ‘Vi så nogle periodiske mønstre af toppe. Det er som en top efter den anden, ’siger Fu. Det kan være at fremme genaktivering, de begrundede.

Næsten 2.000 kilometer væk i Boston havde Greer og hans kolleger fundet 6mA i genomet af en orm, Caenorhabditis elegans. Greer, en postdoc på det tidspunkt, havde studeret epigenetisk arv ved hjælp af en C. elegans mutant, der bliver mindre frugtbar med hver efterfølgende generation. Han ønskede at forstå, hvordan denne infertilitet overføres fra en generation til den næste. Caenorhabditis elegans havde længe været antaget at mangle methylmærker, men Greer besluttede at dobbeltkrydse ved hjælp af antistoffer, der kan binde specifikke methylerede baser. Han og hans kolleger fandt ingen 5mC, men de opdagede 6mA. Hvad mere var, syntes niveauerne at være højere i de mindre frugtbare generationer ‘, der øgede muligheden for, at det faktisk kunne være bærer af denne ikke-genetiske information ‘, han siger. Resultatet kom som en overraskelse. Forskere havde søgt efter 6mA i multicellulære organismer før, men de kunne ikke finde den, fordi den er til stede på så lave niveauer.

Greer s labhoved, Yang Shi, vidste, at han havde afdækket 6mA i alger og bad ham om hjælp. Da han hørte, hvad Shi havde fundet, var han begejstret. ‘Vi besluttede, at vi vil gøre det sammen,’ han siger. Et par måneder senere mødte han en forsker i Kina, der havde fundet 6mA i frugtfly Drosophila. ‘Jeg faldt næsten til gulvet,’ siger han. I april 2015 kom de tre papirer ud samtidigt i Cell10, 11, 12.

Andrew Xiao, som studerer epigenetik på Yale University i New Haven, Connecticut, læser artiklerne med interesse. Xiao og hans kolleger havde identificeret 6mA i pattedyrsceller, men de havde ikke offentliggjort deres resultater. ‘Vi syntes bogstaveligt talt ingen vil interessere sig for dette felt,’ siger Xiao. Cell-artiklerne viste ham forkert. ‘Vi indså, at vi skulle skynde os .’

Inden for året viste Xiao’s gruppe og en anden ledet af John Gurdon fra Gurdon Institute i Cambridge, UK, at 6mA kan findes på ekstremt lave niveauer i en række forskellige hvirveldyrsarter, herunder mus og human13, 14. Når Xiao s Gruppen kiggede på fordelingen af ​​mærket i musembryoniske stamceller, teamet fandt de stærkeste toppe på X-kromosomet. Her syntes mærket at være involveret i at tyde genekspression. Forskerne identificerede også et enzym, der synes at være en 6mA viskelæder14.