《Nature》新技術(shù)捕獲了短壽命RNA，從而揭示了細(xì)胞中基因轉(zhuǎn)錄的隱秘協(xié)調(diào)方式

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2024-06-07 15:22:00【大中小】

摘要：通過(guò)捕獲短壽命RNA分子，科學(xué)家們可以繪制出基因和控制它們的調(diào)控元件之間的關(guān)系。

人類基因組包含大約23000個(gè)基因，但在任何給定時(shí)間，這些基因中只有一小部分在細(xì)胞內(nèi)被激活?？刂苹虮磉_(dá)的調(diào)控元件的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)包括基因組中稱為增強(qiáng)子的區(qū)域，這些區(qū)域通常位于遠(yuǎn)離它們所調(diào)節(jié)的基因的地方。

這種距離使得繪制基因和增強(qiáng)子之間復(fù)雜的相互作用圖譜變得困難。為了克服這個(gè)問(wèn)題，麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)明了一種新技術(shù)，使他們能夠觀察細(xì)胞中基因和增強(qiáng)子激活的時(shí)間。當(dāng)一個(gè)基因與一個(gè)特定的增強(qiáng)子幾乎同時(shí)被激活時(shí)，它強(qiáng)烈表明該增強(qiáng)子控制著該基因。

在不同類型的細(xì)胞中，更多地了解哪些增強(qiáng)子控制哪些基因，可以幫助研究人員確定遺傳疾病的潛在藥物靶點(diǎn)?；蚪M研究已經(jīng)確定了許多與多種疾病有關(guān)的非蛋白質(zhì)編碼區(qū)域的突變。這些可能是未知的增強(qiáng)劑嗎?

“當(dāng)人們開(kāi)始使用基因技術(shù)來(lái)識(shí)別具有疾病信息的染色體區(qū)域時(shí)，大多數(shù)這些位點(diǎn)并不對(duì)應(yīng)于基因。我們懷疑它們對(duì)應(yīng)于這些增強(qiáng)子，這些增強(qiáng)子可能離啟動(dòng)子很遠(yuǎn)，所以能夠識(shí)別這些增強(qiáng)子是非常重要的，”麻省理工學(xué)院名譽(yù)教授、麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所成員Phillip Sharp說(shuō)。

Sharp是今天發(fā)表在《Nature》雜志上的這項(xiàng)新研究的資深作者。麻省理工學(xué)院研究助理D.B. Jay Mahat是該論文的主要作者。

圖1 單細(xì)胞新生RNA測(cè)序揭示協(xié)調(diào)的全球轉(zhuǎn)錄

尋找eRNA

不到2%的人類基因組是由蛋白質(zhì)編碼基因組成的?；蚪M的其余部分包括許多控制這些基因何時(shí)以及如何表達(dá)的元素。增強(qiáng)子被認(rèn)為是在45年前發(fā)現(xiàn)的，它通過(guò)與基因啟動(dòng)子區(qū)域的物理接觸，短暫地形成一個(gè)復(fù)合物，從而開(kāi)啟基因。

最近，在2010年，研究人員發(fā)現(xiàn)這些增強(qiáng)子被轉(zhuǎn)錄成RNA分子，稱為增強(qiáng)子RNA或eRNA?？茖W(xué)家們懷疑，當(dāng)增強(qiáng)子與靶基因積極相互作用時(shí)，這種轉(zhuǎn)錄就會(huì)發(fā)生。這就提出了一種可能性，即測(cè)量eRNA轉(zhuǎn)錄水平可以幫助研究人員確定增強(qiáng)子何時(shí)活躍，以及它針對(duì)哪些基因。

Mahat說(shuō):“這些信息對(duì)于理解細(xì)胞如何發(fā)育、理解癌癥如何改變它們的調(diào)控程序、激活導(dǎo)致去分化和轉(zhuǎn)移性生長(zhǎng)的過(guò)程非常重要。”

然而，由于eRNA產(chǎn)生的數(shù)量非常少，并且在細(xì)胞中不能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，因此這種繪制已被證明是困難的。此外，eRNA缺乏一種被稱為poly-A尾巴的修飾，這是大多數(shù)技術(shù)用來(lái)將RNA從細(xì)胞中拉出的“鉤子”。

捕獲eRNA的一種方法是向細(xì)胞中添加一個(gè)核苷酸，該核苷酸在與RNA結(jié)合時(shí)停止轉(zhuǎn)錄。這些核苷酸還含有一種叫做生物素的標(biāo)簽，可以用來(lái)將RNA從細(xì)胞中撈出來(lái)。然而，目前的技術(shù)只適用于大量細(xì)胞，并不能提供單個(gè)細(xì)胞的信息。

在集思集想捕獲eRNA的新方法時(shí)，Mahat和Sharp考慮使用點(diǎn)擊化學(xué)，一種可以將兩個(gè)分子連接在一起的技術(shù)，如果它們每個(gè)都被標(biāo)記上可以一起反應(yīng)的“點(diǎn)擊手柄”。

研究人員設(shè)計(jì)了一鍵式手柄標(biāo)記的核苷酸，一旦這些核苷酸被整合到生長(zhǎng)的eRNA鏈中，這些鏈就可以用包含互補(bǔ)手柄的標(biāo)簽打撈出來(lái)。這使得研究人員能夠捕獲eRNA，然后對(duì)其進(jìn)行純化、擴(kuò)增和測(cè)序。每一步都會(huì)丟失一些RNA，但Mahat估計(jì)他們可以成功地從一個(gè)給定的細(xì)胞中提取出大約10%的eRNA。

圖2 單細(xì)胞新生RNA測(cè)序的示意圖和基準(zhǔn)

利用這項(xiàng)技術(shù)，研究人員獲得了細(xì)胞中在給定時(shí)間內(nèi)活躍轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)子和基因的快照。

“你希望能夠確定，在每個(gè)細(xì)胞中，從調(diào)控元件和相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄激活。這必須在單個(gè)細(xì)胞中完成，因?yàn)檫@是你可以檢測(cè)調(diào)節(jié)元件和基因之間的同步或異步的地方，”Mahat說(shuō)。

基因表達(dá)的時(shí)機(jī)

研究人員在小鼠胚胎干細(xì)胞中展示了他們的技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)他們可以根據(jù)RNA鏈的長(zhǎng)度和聚合酶(負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的酶)的速度——也就是說(shuō)，聚合酶每秒轉(zhuǎn)錄的距離——計(jì)算出特定區(qū)域開(kāi)始轉(zhuǎn)錄的大致時(shí)間。這使他們能夠確定哪些基因和增強(qiáng)子在大約同一時(shí)間被轉(zhuǎn)錄。

研究人員使用這種方法比以前更詳細(xì)地確定細(xì)胞周期基因表達(dá)的時(shí)間。他們還能夠確認(rèn)幾組已知的基因增強(qiáng)子對(duì)，并生成了一個(gè)大約5萬(wàn)個(gè)可能的增強(qiáng)子基因?qū)Φ牧斜?，他們現(xiàn)在可以嘗試驗(yàn)證這些基因?qū)Α?/div>

了解哪些增強(qiáng)子控制哪些基因，對(duì)于開(kāi)發(fā)針對(duì)遺傳基礎(chǔ)疾病的新療法將證明是有價(jià)值的。去年，美國(guó)食品和藥物管理局(Food and Drug Administration)批準(zhǔn)了首個(gè)治療鐮狀細(xì)胞性貧血的基因療法，該療法通過(guò)干擾一種增強(qiáng)劑來(lái)激活胎兒珠蛋白基因，從而減少鐮狀血細(xì)胞的產(chǎn)生。

麻省理工學(xué)院的研究小組現(xiàn)在正將這種方法應(yīng)用于其他類型的細(xì)胞，重點(diǎn)是自身免疫性疾病。他們正在與波士頓兒童醫(yī)院的研究人員合作，探索與狼瘡有關(guān)的免疫細(xì)胞突變，其中許多是在基因組的非編碼區(qū)域發(fā)現(xiàn)的。

“目前還不清楚哪些基因受到這些突變的影響，所以我們開(kāi)始梳理這些假定的增強(qiáng)子可能調(diào)節(jié)的基因，以及這些增強(qiáng)子在哪些細(xì)胞類型中是活躍的，”Mahat說(shuō)。“這是一個(gè)創(chuàng)建基因到增強(qiáng)子圖譜的工具，這是理解生物學(xué)的基礎(chǔ)，也是理解疾病的基礎(chǔ)。”

這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)也為Sharp最近與麻省理工學(xué)院教授理查德·楊和Arup Chakraborty共同提出的一個(gè)理論提供了證據(jù)，該理論認(rèn)為基因轉(zhuǎn)錄是由被稱為冷凝物的無(wú)膜液滴控制的。這些凝聚物是由大量的酶和RNA組成的，Sharp認(rèn)為其中可能包括在增強(qiáng)子位點(diǎn)產(chǎn)生的eRNA。

“我們認(rèn)為增強(qiáng)子和啟動(dòng)子之間的交流是一種凝聚型的瞬態(tài)結(jié)構(gòu)，RNA是其中的一部分。這是一項(xiàng)重要的工作，有助于理解來(lái)自增強(qiáng)子的RNA是如何被激活的。

這項(xiàng)研究由美國(guó)國(guó)家癌癥研究所、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和祖母綠基金會(huì)博士后過(guò)渡獎(jiǎng)資助。

參考資料

[1] Single-cell nascent RNA sequencing unveils coordinated global transcription