До сих пор это исследование было сосредоточено на так называемых часовых генах, которые кодируют белки, управляющие колебательными циклами экспрессии генов, влияющими на физиологию и поведение. Но исследование, только что опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает открытие нового винтика в циркадных часах – регуляторного слоя всего генома, состоящего из небольших цепочек некодирующих нуклеотидов, известных как микро-РНК (миРНК).
«Мы видели, как функция этих генов часов действительно важна при многих различных заболеваниях», – сказал Стив Кей, проректор, профессор неврологии, биомедицинской инженерии и количественной вычислительной биологии в Медицинской школе им. Кека при Университете Южной Калифорнии. «Но то, что мы не заметили, было совершенно другой фанковой сетью генов, которая также важна для циркадной регуляции, и это целый сумасшедший мир того, что мы называем некодирующей микроРНК."
«Мусорная ДНК» оказалась ценным инструментом в циркадных ритмах
Ранее считавшиеся «мусорной ДНК» миРНК, теперь известно, что они влияют на экспрессию генов, не позволяя матричной РНК производить белки. Предыдущие исследования показали, что miRNA могут играть роль в функции циркадных часов, но определение того, какая из сотен miRNA в геноме может быть задействована, оставалось проблемой.
Кей и его команда во главе с Лили Чжоу, научным сотрудником отделения неврологии школы Кек, обратились в Институт геномики исследовательского фонда Novartis (GNF) в Сан-Диего, который создал роботов, способных проводить высокопроизводительные эксперименты. Работая с учеными института, Чжоу разработал высокопроизводительный экран для робота, который тестировал около 1000 miRNA, индивидуально перенося их в клетки, которые команда сконструировала так, чтобы светиться включалось и выключалось в зависимости от 24-часового циркадного цикла клетки.
«Сотрудничество с GNF позволило нам провести первый подход к скринингу на основе клеток и всего генома для систематического определения того, какие из сотен miRNA могут быть теми, которые модулируют циркадные ритмы», – сказал Чжоу.
«К нашему большому удивлению, – сказал Кей, – мы обнаружили от 110 до 120 miRNA, которые делают это."
Затем с помощью Кейтлин Миллер, студентки факультета биохимии из USC Dornsife, исследователи подтвердили влияние на циркадные ритмы путем инактивации определенных miRNA, идентифицированных с помощью экрана в их линии светящихся клеток. Выключение miRNA оказывало противоположный эффект на циркадный ритм клеток, чем добавление их к клеткам.
Физиологические и поведенческие эффекты миРНК
Исследователи также сосредоточили внимание на физиологическом и поведенческом влиянии miRNA. Они проанализировали поведение мышей с конкретным кластером инактивированных miRNA – miR 183/96/182 – и увидели, что инактивация кластера мешает их бегущему колесу в темноте по сравнению с контрольными мышами.
Затем они исследовали влияние кластера miRNA на ткань мозга, сетчатки и легких и обнаружили, что инактивация кластера влияет на циркадные ритмы по-разному в каждом типе ткани, предполагая, что способ, которым miRNA регулируют циркадные часы, зависит от ткани.
Понимание влияния miRNA на циркадные часы в отдельной ткани может открыть новые способы лечения или предотвращения определенных заболеваний.
«В мозге мы заинтересованы в том, чтобы связать часы с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера, в легких мы заинтересованы в том, чтобы связать часы с такими заболеваниями, как астма», – сказал Кей. «Следующим шагом, я думаю, для нас является моделирование болезненных состояний у животных и клеток и рассмотрение того, как эти микроРНК функционируют в этих болезненных состояниях."
Работа выполнена при поддержке Национального института диабета, болезней органов пищеварения и почек, грант 5R01DK108087 на имя S.А.K.