Membranlose Organellen (MLOs), auch bekannt als „biomolekulare Kondensate“, werden durch den biologischen Prozess der Flüssig-Flüssig-Phasentrennung (LLPS) gebildet. MLOs sind hochdynamische Körper, die Proteine und Nukleinsäuren enthalten.
Während die Rolle von Proteinen bei LLPS ausführlich untersucht wurde, besteht in der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein wachsendes Interesse daran, die Rolle von RNAs zu verstehen – den Nukleinsäuren, die für unzählige biologische Funktionen verantwortlich sind, darunter die Kodierung, Dekodierung, Regulierung und Expression von Genen und letztendlich auch die Rolle von RNAs Proteine – in Phasentrennung.
Jüngste Studien haben gezeigt, dass MLOs reich an RNAs sind, die mit herkömmlichen Methoden nur schlecht extrahiert werden können, aber mit verbesserten Methoden wie Nadelscheren und Erhitzen effizient gewonnen werden können, eine Eigenschaft, die als Halbextraktibilität bekannt ist. Diese semi-extrahierbaren RNAs können wichtige Biomarker und Wirkstoffziele bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten sein. Allerdings ist es nur sehr wenigen Studien gelungen, diese RNAs zu identifizieren und zu charakterisieren.
Um diese Lücke zu schließen, hat Dr. Chao Zeng, Assistenzprofessor an der Waseda-Universität, in Zusammenarbeit mit Dr. Michiaki Hamada von der Waseda-Universität, Dr. Takeshi Chujo von der Kumamoto-Universität und Dr. Tetsuro Hirose von der Universität Osaka eine neuartige Bioinformatik-Pipeline entwickelt halbextrahierbare RNAs in menschlichen Zelllinien zu definieren. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Nukleinsäureforschung am 19. Juli 2023.
Das Team führte eine zelluläre RNA-Extraktion und -Sequenzierung an fünf menschlichen Zelllinien durch, nämlich A10-, A549-, HEK293-, HeLa- und HAP1-Zellen. Sie analysierten die RNA-Sequenzierungsdaten weiter mit verschiedenen Berechnungsmethoden. Es wurde eine differenzielle Expressionsanalyse zwischen Proben durchgeführt, die mit der herkömmlichen RNA-Extraktionsmethode und der verbesserten Extraktionsmethode extrahiert wurden. Die Forscher identifizierten RNA-Transkripte, die in allen fünf Zelllinien durchweg semi-extrahierbar waren.
Außerdem wurden Wiederholungsdichte- und Sequenzmotivanalysen durchgeführt, um potenzielle Faktoren zu untersuchen, die die Halbextrahierbarkeit beeinflussen. Darüber hinaus führten die Forscher eine k-mer-Analyse mit dem SEEKR-Algorithmus durch, um semi-extrahierbare RNAs anhand ihres k-mer-Gehalts funktionell zu klassifizieren.
Chao Zeng teilt den Höhepunkt ihrer Studie mit: „Mithilfe der neu entwickelten bioinformatischen Analysepipeline haben wir ursprüngliche experimentelle Daten von kultivierten menschlichen Zelltypen untersucht und erfolgreich 1.074 semi-extrahierbare RNAs identifiziert und charakterisiert, die möglicherweise an der Bildung phasengetrennter membranloser Zellen beteiligt sind.“ Organellen.
Bei der Untersuchung der Lokalisierung semi-extrahierbarer RNAs sowohl im Chromatin als auch innerhalb der Zelle stellte das Team fest, dass diese RNAs in unterdrückten und repetitiven Heterochromatin-Regionen (dunkel gefärbt) angereichert waren, insbesondere in Polycomb-unterdrückten Bereichen. Innerhalb der Zellen waren die RNAs im Zellkern, einschließlich des Nukleolus, konzentriert, jedoch vom Chromatin getrennt.
Darüber hinaus postulierten die Forscher, dass die semi-extrahierbaren RNAs möglicherweise als Plattform für die Interaktion mit anderen RNAs fungieren könnten. Um ihre Hypothese zu überprüfen, verglichen sie semi-extrahierbare RNAs mit fast 600 Hub-RNAs, die proteinvermittelte RNA-RNA-Wechselwirkungen mit mehreren anderen RNAs bildeten. Sie fanden heraus, dass semi-extrahierbare RNAs tatsächlich als Knotenpunkte fungierten und eine entscheidende Rolle bei der Bildung von RNA-RNA-Wechselwirkungen spielten.
Eine weitere Analyse von semi-extrahierbarer RNA ergab eine deutliche Präferenz von RNA-bindenden Proteinen bei der Bindung an AU-reiche Regionen, die mit den RNAs assoziiert sind. Während Messenger-RNAs typischerweise die AU-reichen Regionen am 3′-Ende aufweisen, die die RNA-Stabilität regulieren, weisen semi-extrahierbare RNAs eine Konzentration von AU-Regionen am 5′-Ende auf, was auf eine mögliche Beteiligung an unentdeckten Funktionen hinweist.
Die Studie liefert den ersten Datensatz semi-extrahierbarer RNAs in menschlichen Zelllinien, der eine wertvolle Ressource für die Untersuchung RNA-basierter Phasentrennungen darstellt. „Die zukünftige Integration semi-extrahierbarer RNAs in RNA-Interaktionsstudien wird Einblicke in die molekularen Mechanismen liefern, die der RNA-induzierten Phasentrennung in Zellen zugrunde liegen“, schließt Michiaki Hamada.
Die Studienergebnisse bieten neue Perspektiven zur Erforschung der Beteiligung von RNA an biologischen Prozessen wie der Entstehung und dem Fortschreiten von Krebs, dem Abbau viraler RNA und zellulären Stressreaktionen und können die Entwicklung therapeutischer Strategien für Krebs und Infektionskrankheiten vorantreiben.
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Chao Zeng et al., Landschaft semi-extrahierbarer RNAs in fünf menschlichen Zelllinien, Nukleinsäureforschung (2023). DOI: 10.1093/nar/gkad567