Известно, что класс генов, называемых микроРНК, предотвращает экспрессию генов. В недавнем исследовании ученые смогли показать, что подавляющая регуляция генов с помощью микроРНК может неожиданным образом определять уникальные свойства конкретных клеток. Об этом открытии сообщается в журнале Genes & Development..
«Мы начали с любопытного наблюдения за червем-нематодой C. elegans», - объясняет Луиза Кочелла. «Мы заметили, что ген mir-791 экспрессируется именно в нейронах, которые, как мы знали, отвечают за обнаружение углекислого газа.«Крошечный червь является обычным модельным организмом, потому что его анатомия и клеточные функции очень хорошо изучены и их можно легко наблюдать под микроскопом. Когда черви обнаруживают углекислый газ, они начинают двигаться характерным образом, давая ученым легкий инструмент косвенно «наблюдать» за молекулярными процессами, наблюдая за поведением червей.
Когда ученые удалили mir-791 из червей, животные плохо реагировали на углекислый газ. Обычно mir-791 предотвращает экспрессию двух генов исключительно в нейронах, обнаруживающих углекислый газ, в то время как эти же два гена экспрессируются почти во всех других клетках червя. Когда этот механизм подавления дает сбой, нейроны, чувствительные к углекислому газу, не работают должным образом, и животные не могут адекватно реагировать на сигналы окружающей среды, которые в их естественной среде могут определить, выживет ли червь или умрет. Однако вопрос о том, как определяется идентичность клеток в ходе их развития, выходит далеко за рамки нематод - это фундаментальный вопрос биологии.
Клетки, формирующие наши тела, принадлежат к сотням различных типов клеток, которые формируются комбинациями генов, которые они экспрессируют. Например, гемоглобин вырабатывается в красных кровяных тельцах, где он необходим для транспорта кислорода, а рецепторы нейротрансмиттеров вырабатываются в нейронах, где они позволяют этим клеткам общаться друг с другом. С другой стороны, ряд генов, необходимых для более общих функций клеток, экспрессируется большинством, если не всеми клетками. Это так называемые вездесущие гены.
В редких случаях вездесущие гены не экспрессируются в определенном типе клеток, где сниженный уровень этих генов необходим для правильного функционирования этого конкретного типа клеток. Таким образом, уникальные свойства клетки могут определяться не только генами, которые она экспрессирует, но и генами, которые она препятствует экспрессии. Однако механизмы, лежащие в основе высокоспецифичной репрессии генов в некоторых клетках, остаются загадочными, поэтому это исследование важно.
То, что было охарактеризовано как механизм развития, также может иметь отношение к эволюции. Реакции разных животных на углекислый газ сильно различаются: одних он привлекает, потому что он связан с источниками пищи, другие бегут от него, потому что углекислого газа часто много в среде с низким содержанием кислорода. «Учитывая это, наша работа имеет дополнительное значение, заключающееся в том, что микроРНК могут быть хорошими кандидатами на то, чтобы дать видам новые инструменты для адаптации к различным средам», - говорит Кочелла, указывая на известный факт, что микроРНК развиваются быстрее, чем более крупные гены, кодирующие белок.
IMP, в состав которого входят 15 групп, занимающихся различными вопросами фундаментальных исследований, предоставил Кочелле и ее команде идеальное место для проведения этого исследования. Сотрудничество с соавтором Мануэлем Циммером, который давно разработал способы количественного измерения поведенческих реакций у C. elegans, сыграло важную роль в этом проекте.
Кроме того, это исследование дает представление о понимании функций микроРНК.«У C. elegans насчитывается от 150 до 200 микроРНК, но мы знаем функции примерно 25 из них», - говорит Кочелла. Это верно не только для червей, так же была охарактеризована столь же низкая доля miRNAs из сотен, обнаруженных у людей, хотя в целом miRNAs необходимы для развития и функционирования животных. Это исследование намекает на то, почему функции миРНК было трудно раскрыть: многие миРНК могут экспрессироваться только в ограниченных типах клеток, и для определения их функций могут потребоваться методы столь же точные, как те, которые используются в червях, чтобы точно знать, какие клетки и как поражены.