РНК – это гораздо больше, чем просто посредник между ДНК и белком, который она кодирует. Действительно, существует несколько различных видов некодирующих молекул РНК.
Это могут быть длинные некодирующие РНК (днРНК) или короткие регуляторные РНК (miR); они могут мешать производству белка (миРНК) или способствовать этому (тРНК). За последние 20 лет ученые обнаружили около двух десятков разновидностей РНК, которые образуют сложные сети в молекулярном микромире. Самыми загадочными среди них являются circRNA, необычный класс РНК, головы которых соединены с их хвостами, образуя ковалентно замкнутое кольцо. Эти структуры на протяжении десятилетий считались редкими, экзотическими видами РНК.
На самом деле, верно обратное. Текущий анализ РНК-секвенирования показал, что они представляют собой большой класс РНК, которая высоко экспрессируется в тканях мозга.
Тысячи кольцевых РНК существуют у нематодных червей, мышей и людей
В 2013 году в журнале Nature были опубликованы два новаторских исследования кольцевых РНК, одно из них было проведено Николаусом Раевски и его командой.
Интересно, что большинство кольцевых РНК необычайно стабильны и плавают в цитоплазме часами и даже днями. Системные биологи предположили, что – по крайней мере, иногда – циркуРНК служат регуляции генов.
Cdr1as, большая петля одноцепочечной РНК, которая состоит из 1500 нуклеотидов вокруг, может действовать как «губка» для микроРНК. Например, он предлагает более 70 сайтов связывания для микроРНК под названием miR-7.
МикроРНК – это короткие молекулы РНК, которые обычно связываются с комплементарными последовательностями информационных РНК, тем самым контролируя количество специфических белков, продуцируемых клетками.
Кроме того, Раевский и его сотрудники добыли базы данных и обнаружили тысячи различных circRNA у нематодных червей, мышей и людей. Большинство из них хорошо сохранились на протяжении всей эволюции. «Мы обнаружили параллельную вселенную неизученных РНК», – говорит Раевски. "С момента публикации область резко выросла; были проведены сотни новых исследований."
Понимание круга, который в основном присутствует в возбуждающих нейронах
Для текущей статьи в Science системные биологи объединились с лабораторией Кармен Бирчмайер в MDC, чтобы пересмотреть Cdr1as. «Этот конкретный круг можно найти в возбуждающих нейронах, но не в глиальных клетках», – говорит Моника Пивецка, один из первых авторов статьи и координатор большинства экспериментов. «В тканях мозга мышей и людей есть две микроРНК, называемые miR-7 и miR-671, которые связываются с ней."На следующем этапе Раевский и его сотрудники выборочно удалили circRNA Cdr1as у мышей с помощью технологии редактирования генома CRISPR / Cas9. У этих животных экспрессия большинства микроРНК в четырех исследованных областях мозга оставалась неизменной.
Однако miR-7 подавлялась, а miR-671 повышалась. Эти изменения были посттранскрипционными, что согласуется с идеей, что Cdr1as обычно взаимодействует с этими микроРНК в цитоплазме.
«Это указывает на то, что Cdr1as обычно стабилизирует или транспортирует miR-7 в нейронах, подтачивая их, в то время как miR-167 может служить для регулирования уровней этой конкретной кольцевой РНК», – говорит Раевски. Если бы микроРНК плавала в цитоплазме, нигде не связываясь, она распадалась бы как отходы. Круг предотвратит это, а также перенесет его в новые места, такие как синапсы. Он добавляет: «Может, нам стоит думать о Cdr1 не как о« губке », а как о« лодке ».«Он не дает своим пассажирам утонуть, а также переходит в новые порты."
Изменения в концентрации микроРНК оказали драматическое влияние на мРНК и белки, продуцируемые нервными клетками, особенно для группы, называемой «немедленные ранние гены»."Они являются частью первой волны ответов, когда нейронам предъявляются стимулы. Также были затронуты информационные РНК, которые кодируют белки, участвующие в поддержании циклов сна и бодрствования животных.
Cdr1as модулирует синаптические ответы
Используя одноклеточную электрофизиологию, исследователь Charite Кристиан Розенмунд заметил, что спонтанное высвобождение пузырьков в синапсе происходит в два раза чаще. Также изменились синаптические ответы на два последовательных стимула.
Дополнительные поведенческие анализы, проведенные в MDC, подтвердили эти результаты. Несмотря на то, что мыши во многих отношениях казались нормальными, они не могли настраивать свою реакцию на внешние сигналы, такие как шумы. Подобные нарушения предимпульсного торможения были отмечены у пациентов, страдающих шизофренией или другими психическими заболеваниями.
То, как сильно мы зависим от этой функции фильтрации, – это повседневный опыт: когда громкий шум внезапно нарушает спокойную атмосферу библиотеки, вы не можете избежать тревоги.
Однако такой же взрыв будет казаться гораздо менее опасным рядом со строительной площадкой. В этом случае у мозга была возможность обработать предыдущие шумы и отфильтровать ненужную информацию.
Таким образом, рефлекс вздрагивания ослабляется (предимпульсное торможение). Эта основная функция мозга, которая позволяет здоровым животным и людям временно адаптироваться к сильному раздражителю и избегать информационной перегрузки, теперь связана с Cdr1as.
«С функциональной точки зрения наши данные предполагают, что Cdr1as и его прямые взаимодействия с микроРНК важны для сенсомоторного гейтирования и синаптической передачи», – говорит Николаус Раевски. «В более общем плане, поскольку мозг – это орган с исключительно высокой и разнообразной экспрессией кольцевых РНК, мы полагаем, что наши данные свидетельствуют о существовании ранее неизвестного слоя биологических функций, выполняемых этими кругами."