Когда ген включается, различные участки ДНК поблизости действуют как «диски управления», влияя на уровень активности и количество производимого генного продукта. Используя бактерии Mycoplasma pneumoniae в качестве модели, директор CRG профессор Луис Серрано и его команда разработали быстрый способ сканирования многих тысяч случайно сгенерированных последовательностей ДНК в поисках тех, которые могли бы эффективно активировать «репортерный» ген..
Исследователи использовали новую технику, известную как ELM-seq, чтобы найти последовательности ДНК, которые сильно повышают уровень транскрипции - процесса, посредством которого ген «читается» для создания промежуточного сообщения, известного как РНК. Они также искали последовательности, повышающие эффективность трансляции, когда сообщения РНК интерпретируются для создания таких продуктов, как белковые молекулы. Запатентованный метод ELM-seq основан на косвенном измерении активности гена, кодирующего белок, добавляющий специфическую химическую «метку» к ДНК. Если ген более активен, он оставит больше меток в ДНК. Эти метки обнаруживаются и измеряются с помощью чувствительного метода анализа ДНК, известного как массовое параллельное секвенирование, обеспечивающего количественное считывание уровней активности гена.
Опубликовав свои выводы в журнале Nature Communications с открытым доступом, исследователи обнаружили последовательности ДНК для «дисков управления», которые неизменно обеспечивают очень высокий уровень генной активности. Они также раскрыли ранее неизвестную информацию о типах последовательностей ДНК, которые работают лучше всего. Интересно, что команда обнаружила, что самая первая «буква» (основание) сообщения РНК очень важна для эффективной транскрипции генов. Они также обнаружили, что трехмерная структура сообщения РНК играет ключевую роль в определении того, насколько хорошо РНК будет транслироваться для создания белков, а не конкретные последовательности, которые ранее считались необходимыми для эффективной трансляции.
«Предыдущие методы, которые использовались для исследования контрольных последовательностей ДНК, обычно основывались на сортировке клеток одна за другой и измерении активности генов в каждой из них», - говорит ведущий автор статьи доктор Ева Юс. «Однако наш новый подход использует передовую технологию секвенирования ДНК для точного измерения одновременного воздействия тысяч последовательностей на активность генов».
Mycoplasma pneumoniae имеет очень небольшой геном, что делает его относительно легким для изучения. Но хотя это исследование доказало, что этот метод работает в простом организме, его также можно применить к другим видам бактерий, дрожжей или даже клеткам человека, чтобы получить полезную информацию о том, как гены контролируются и как ими можно манипулировать.
Если мы хотим использовать бактерии или другие клетки для применения в биотехнологии, нам нужно сконструировать их так, чтобы они производили максимальное количество продукта. Но это очень сложно, если у нас нет информации об оптимальных последовательностях для управления генами., - говорит соавтор исследования доктор Чжэ-Сон Ян.
Поскольку Mycoplasma pneumoniae обычно поражает легкие, команда теперь планирует использовать свои новые знания для разработки методов лечения легочных заболеваний на основе генно-инженерных бактерий. Их цели включают легочные инфекции, рак и даже способы регенерации поврежденных тканей.
«Теперь у нас есть большой набор контрольных последовательностей, которые мы можем использовать для регулировки уровней белков, которые мы хотим производить в легких, - это как набор инструментов, который мы можем использовать для контроля активности генов», - объясняет профессор Серрано. «Кроме того, этот метод является очень дешевым и быстрым способом поиска последовательностей, управляющих транскрипцией и трансляцией, и может быть использован для любого биотехнологического приложения или организма."