RNA-Karte des Zellkerns von Säugetieren gibt neue Einblicke in die Genregulation

Der Zellkern ist den meisten Menschen aus der Grundschulbiologie als Aufbewahrungsort für DNA bekannt. Aber der Kern enthält auch mehrere unterschiedliche Strukturen, sogenannte Kernkörper oder Domänen, deren Rolle die Wissenschaftler gerade erst zu verstehen beginnen.

Einige dieser Strukturen sind voller Botschaften von Genen, die auch als RNA-Transkripte bekannt sind.

Jetzt haben U of T-Forscher über die erste groß angelegte Untersuchung von RNA-Transkripten berichtet, die mit verschiedenen Kernkörpern in menschlichen Zellen assoziiert sind. Ihre Arbeit legt nahe, dass diese Strukturen als Knotenpunkte zur Koordination der Genregulation und Zellteilung fungieren.

„Es war bekannt, dass einige Kerndomänen RNA enthalten, aber die Zusammensetzung dieser RNA wurde in früheren Studien nicht systematisch untersucht“, sagte Benjamin Blencowe, leitender Autor der Studie und Professor für Molekulargenetik am Donnelly Center for Cellular and Biomolecular Research , an der Medizinischen Fakultät Temerity.

„Unsere Daten haben nicht nur Aufschluss über die RNA-Zusammensetzung verschiedener Kerndomänen gegeben, sondern liefern auch Hinweise auf die Funktionen einiger dieser Domänen“, sagte er.

Molekulare Zelle veröffentlichte die Erkenntnisse.

Bisher sind die Informationen über die Zusammensetzung des Kernkörpers stückchenweise durchgesickert, weil es keine Methoden gab, die eine systematische Untersuchung der an diesen Strukturen lokalisierten RNA ermöglichten. Aber der Postdoktorand Rasim Barutcu und der Doktorand Mingkun Wu erkannten, dass sie eine Methode namens APEX-Seq anwenden konnten, die von Wissenschaftlern aus Stanford und Berkeley entwickelt worden war.

APEX ist ein Enzym, das an jedes interessierende Protein fusioniert werden kann und die Markierung von RNAs und anderen Biomolekülen in seiner Nähe ermöglicht. Die markierten RNAs können dann isoliert und durch Sequenzierung identifiziert werden. Durch die Fusion von APEX mit verschiedenen Markerproteinen, die sich in den verschiedenen Kernkörpern befinden, konnten Barutcu und Wu RNA-Karten für jedes erstellen. Dabei arbeiteten sie mit Ulrich Braunschweig, einem leitenden wissenschaftlichen Mitarbeiter im Blencowe-Labor, und mit den Gruppen von Anne-Claude Gingras, einer U of T-Professorin für Molekulargenetik und leitende Wissenschaftlerin am Lunenfeld-Tanenbaum Research Institute, zusammen Sinai Health System, Philipp Maass, Assistenzprofessor für Molekulargenetik an der U of T und Wissenschaftler am Hospital for Sick Children, und Robert Weatheritt, leitender Forscher am Garvan Institute of Medical Research, Australien.

Das Team entdeckte Schwaden von neuartigen RNAs, von mehreren Hundert bis zu Tausenden, in den Kernkörpern. Bisher war nur eine Handvoll Transkripte bekannt, die mit einigen dieser Strukturen in Verbindung gebracht wurden, sagte Barutcu, dessen Forschung durch das Banting Postdoctoral Fellowship und ein Stipendium des Canadian Institutes of Health Research (CIHR) unterstützt wurde.

Ein Datenelement fiel den Forschern sofort auf. Die als Sprenkel bekannten Kernkörper waren mit einer überraschend hohen Anzahl von RNA-Transkripten mit zurückbehaltenen Introns assoziiert, Segmente, die nicht für Proteine ​​kodieren.

Wenn ein Gen in RNA transkribiert wird, müssen Introns im Zellkern herausgespleißt werden, bevor das Transkript in das Innere der Zelle freigesetzt werden kann, um als Vorlage für die Herstellung von Proteinen zu dienen.

Der Befund führte sie zu der Erkenntnis, dass Sprenkel mit einer Klasse von Introns mit verzögertem Spleißen assoziiert sind. Die Art der Transkripte lieferte einen Hinweis auf ihre Funktion. Sie wurden von Genen abgeschrieben, die verschiedene Aspekte der Genregulation und des Zellteilungszyklus kontrollieren. Gene, die das Fortschreiten des Zellzyklus steuern, müssen rechtzeitig aktiviert werden, damit ihre Proteinprodukte nur dann hergestellt werden, wenn sie benötigt werden. Fehler in diesem Prozess sind bekannte Treiber von Krebs.

Die Forscher entwickelten ein Modell, in dem die Rolle der Speckles darin bestehen könnte, die Entfernung von Introns aus Transkripten zu koordinieren, um ihre Freisetzung aus dem Zellkern und ihre anschließende Übersetzung in Proteinfaktoren zu regulieren, die für die Genregulation und den Zellzyklus erforderlich sind. Dieser Mechanismus würde dazu beitragen, eine schnelle Reaktion auf zelluläre Signale sicherzustellen, um die richtigen Arten von Proteinen zur richtigen Zeit herzustellen.

Wenn Speckles zerstört wurden, veränderte dies außerdem das Spleißen der zurückbehaltenen Introns, einschließlich derjenigen, die sich in Genen befinden, die direkt an der Kontrolle des Zellzyklus beteiligt sind, was die Idee stützt, dass die Speckles mit dem Fortschreiten des Zellzyklus verbunden sind.

Das Modell eröffne neue Denkansätze zur Regulierung des Zellzyklus mit Auswirkungen auf die Krebsforschung, sagte Blencowe, der den kanadischen Forschungslehrstuhl für RNA-Biologie und Genomik und den Banbury-Lehrstuhl für medizinische Forschung innehat.

„Wir haben einen Mechanismus entdeckt, der eine unterschiedliche Intronretention in Verbindung mit der Speckle-Integrität beinhaltet, die eine wichtige Rolle nicht nur bei der normalen Zellteilung spielen könnte, sondern auch bei Krebserkrankungen“, sagte er.

Zusätzlich zu den Sprenkeln fand das Team auch eine große Anzahl von Intron-zurückgehaltenen Transkripten, die mit der Kernlamina assoziiert sind, die sich an der Peripherie des Kerns bildet, aber die funktionelle Bedeutung dieser Beobachtung bleibt unklar.

Die Forscher sagten, sie hoffen, dass andere auf dem Gebiet ihre Datensätze nutzen und neue Wege der Erforschung der Kernkörperfunktion eröffnen, wo viele Fragen offen bleiben.

Blencowe fügte hinzu, dass das Projekt durch die Freiheit ermöglicht wurde, neue Richtungen einzuschlagen, die das jetzt eingestellte Stipendienprogramm der CIHR Foundation bietet, das eine langfristige Forschungsfinanzierung bereitstellte.