Neue Methode zeigt Rolle schwer fassbarer RNA bei der Muskelregeneration

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler, die die Genexpression in Zellen untersuchen, eine Methode verwendet, die im Wesentlichen einen Schwanz an die RNA heftet und ihren Aufenthaltsort verfolgt. Bestimmte RNA-Typen entziehen sich jedoch dem Prozess. Jetzt hat ein Cornell-Team eine Methode entwickelt, um diese Moleküle zu markieren, sodass Forscher das gesamte RNA-Spektrum im Transkriptom einer Zelle räumlich abbilden können.

Die Methode, die räumliche Gesamt-RNA-Sequenzierung (STRS), hat die Rolle von zuvor schwer fassbarer RNA bei der Skelettmuskelregeneration und der viralen Myokarditis bei Mäusen aufgezeigt.

Das Papier des Teams ist veröffentlicht in Naturbiotechnologie. Der Hauptautor ist der Doktorand David McKellar, der gemeinsam in den Labors der Co-Seniorautoren Iwijn De Vlaminck und Ben Cosgrove arbeitet, beide außerordentliche Professoren für Biomedizintechnik am College of Engineering.

Um besser zu verstehen, wie die Genexpression verschiedene Arten von biologischen Phänomenen antreibt, verwenden die Forscher eine Technik namens räumliche Transkriptomik, die die RNA in einer Gewebeprobe misst und den Ort ihrer Aktivität kartiert.

Räumliche Transkriptomik tut dies, indem sie geschickt den organischen Prozess nutzt, bei dem eine Zelle einer RNA einen polyadenylierten (Poly-A)-Schwanz hinzufügt, wenn sie im Zellkern transkribiert wird. RNAs werden von ihrem Poly-A-Schwanz eingefangen, dann werden sie sequenziert und rechnerisch ihrer räumlichen Position zugeordnet.

Dies tritt häufig bei Boten-RNAs auf, aber es gibt auch andere Arten, wie z. B. nichtkodierende RNAs, die niemals einen Poly-A-Schwanz erhalten. Da sie schwer zu kartieren und damit zu untersuchen sind, sind nichtkodierende RNAs laut McKellar eine „Art dunkle Materie des Transkriptoms“.

McKellar wurde inspiriert, diesen Ansatz zu verbessern, nachdem er die Arbeit seines Co-Autors und Doktoranden Madhav Mantri beobachtet hatte, der kürzlich in Forschungsergebnissen veröffentlichte Natur Herz-Kreislauf-Forschung, verwendeten zwei Formen der Transkriptomik – Einzelzell- und räumliche –, um eine hochauflösende Transkriptomkarte der Reovirus-induzierten Myokarditis, dh Entzündung des Herzmuskels, bei Mäusen zu erstellen. Auf diese Weise konnte Mantri die Rolle dokumentieren, die entzündete Endothelzellen bei der Reaktion auf virale Infektionen spielen.

„Ich sah, dass er diese viralen RNAs untersuchte, aber er konnte nicht sehen, wo sich das Virus befand“, sagte McKellar. „Das musste er aus der Genexpressionsantwort des Wirts ableiten.“

McKellar und seine Mitarbeiter entdeckten, dass sie durch die Anwendung eines Enzyms, der Poly-A-Polymerase, jeder RNA Adeninbasen hinzufügen konnten, sogar den schlaueren.

„Wenn die RNA bereits einen Poly-A-Schwanz hatte, ist der Poly-A-Schwanz jetzt nur länger; wenn die RNA keinen Poly-A-Schwanz hatte, hat er ihn jetzt“, sagte McKellar. „Jetzt können wir vorhandene RNA-Sequenzierungstechnologien nutzen, um all diese anderen Arten von RNAs zu erfassen, die zuvor übersehen wurden.“

In einer Reihe von Experimenten verwendete das Team STRS, um zu zeigen, wie nichtkodierende RNAs die Skelettmuskelregeneration regulieren. Sie zeigten auch, dass STRS die Infektion viraler Nicht-Wirts-RNAs bei Myokarditis und auch die Gewebereaktion des Wirts gleichzeitig mit einer einzigen Messung räumlich abbilden kann.

„David hat sich einen einfachen Trick ausgedacht, um ein allgemeines Problem in der räumlichen Transziptomik zu lösen“, sagte De Vlaminck. „Es ist nett, dass seine Methode kommerziell erhältlichen Protokollen nur einen einzigen, kostengünstigen Schritt hinzufügt. Wir hoffen, dass andere Gruppen davon inspiriert werden und Davids Methode schnell übernehmen können.“

Jetzt, da sie in der Lage sind, jede Art von RNA räumlich zu kartieren, erwartet das Team, STRS zur Analyse anderer biologischer Systeme zu verwenden, wie Bakterien im Mikrobiom, andere Viruserkrankungen und möglicherweise, durch Optimierung der Technologie, bestimmte Formen von bakterienassoziiertem Krebs.

Die Forscher planen auch die Entwicklung von Technologien mit höherer Auflösung, um zu sehen, welche Gene in einzelnen Zellen exprimiert werden und wie die Genexpression räumlich variiert. Am wichtigsten ist vielleicht, dass die neue Methode von anderen Forschern breit und schnell übernommen werden kann, da STRS die weit verbreitete räumliche RNA-Sequenzierung huckepack nimmt.

„Es gibt Hunderte oder Tausende von Genen, die von bestehenden Technologien einfach nicht erkannt werden“, sagte McKellar. „Wir sind jetzt in der Lage, diese ganze andere Seite des Transkriptoms zu erfassen. Aber wirklich, das Aufregende an STRS ist die Flexibilität. Jede Art von Gewebe, wirklich jede Art von Krankheit, wir können jetzt die Genexpression kartieren und die zugrunde liegende untersuchen Biologie.“