За последние десятилетия исследования в области эпигенетики показали, что химически модифицированные основания являются широко распространенными компонентами генома человека, и заставили ученых отказаться от понятия, что ДНК состоит всего из четырех оснований.

Ученые из Корнельского медицинского колледжа Вейлла (Weill Cornell Medical College) сделали открытие, заставляющее еще раз переписать учебники. Однако на этот раз речь идет об РНК, которая, как и ДНК, несет в себе информацию о наших генах и о том, как они экспрессируются. Исследователи выявили новую модификацию одного из нуклеотидов в РНК, что, по их мнению, революционизирует наше понимание экспрессии генов.

Их статья, опубликованная в журнале Cell, показывает, что матричная РНК (мРНК), долго считавшаяся простой калькой для синтеза белка, часто химически модифицирована добавлением метильной группы к одному из нуклеотидов – аденину. Хотя, как считалось, мРНК содержит только четыре азотистых основания, их открытие показывает, что пятое основание, N6-метиладенозин (N6-methyladenosine, м6A), широко распространено в масштабах всего транскриптома. Исследователи установили, что обычно метилировано до 20 процентов человеческой мРНК. М6A содержат более 5000 различных молекул мРНК, что означает, что эта модификация может оказывать на экспрессию генов масштабный эффект.

«Это открытие переписывает основные понятия о составе мРНК, так как в течение 50 лет никто не думал, что мРНК содержит внутренние модификации, контролирующие ее функции», – говорит руководитель исследования доктор Сами Джеффри (Samie Jaffrey). «Мы знаем, что ДНК и белки обычно модифицированы химическими переключателями, которые оказывают глубокое воздействие на их функции. Но биологи считали мРНК простым посредником между ДНК и белками. Теперь мы знаем, что мРНК гораздо более сложна, и нарушения в ее метилировании могут привести к развитию болезней».

Действительно, в рамках этого исследования ученые показали, что ген риска развития ожирения FTO кодирует фермент, способный обратить вспять эту модификацию, преобразуя м6A в мРНК в обычный аденин. Мутации в FTO приводят к синтезу гиперактивного фермента FTO и, как следствие, к низким уровням м6A, вызывают нарушения в усвоении пищи и обмене веществ и, как результат, ожирение.

Ученые установили связь и между м6A и другими заболеваниями.

«Мы обнаружили, что м6A присутствует во многих мРНК, кодируемых генами, связанными с заболеваниями человека, в том числе раком, а также с некоторыми болезнями мозга – аутизмом, болезнью Альцгеймера и шизофренией», – говорит ведущий автор исследования доктор Кейт Мейер (Kate Meyer). «Метилирование в РНК – обратимая модификация, которая, как представляется, играет центральную роль в широком спектре биологических путей и физиологических процессов».

Впервые м6A были обнаружены в матричной РНК в 1975 году, но в то время ученые не были уверены в том, что эти данные не является результатом загрязнения другими молекулами РНК: более 90 процентов всей РНК – это транспортная и рибосомальная РНК (тРНК, рРНК) – рабочие лошадки клетки, для которых химическая модификация – обычное явление.

Доктора Джеффри всегда интересовала возможность модификации матричной РНК. «ДНК, белки и другие формы РНК могут быть модифицированы, так почему же не мРНК?».

Он и сотрудники его лаборатории разработали метод обнаружения метилирования в мРНК. Чтобы избирательно выделить мРНК, содержащие м6A, ученые использовали два разных антитела, которые распознают и связываются с м6A в мРНК. Проведя с помощью новейших методов секвенирование выделенных мРНК, они определили последовательность каждой из них.

Ученые не знают, как тысячи обнаруженных у человека m6A контролируют функцию мРНК, но отмечено, что m6As в последовательностях мРНК расположены рядом со стоп-кодонами. Эти области дают сигнал об окончании трансляции мРНК, что позволяет предположить, что м6As могут влиять на функцию рибосом.

«Но этого мы действительно пока не знаем», – говорит д-р Кристофер Мейсон (Christopher Mason), соведущий автор исследования. «Они могут позволять другим белкам связываться с мРНК, или подвергать эти мРНК воздействию совершенно нового регуляторного пути. Наш биоинформационный анализ дает несколько подсказок о возможном влиянии метилирования на функции РНК».

Действительно, ученые уже установили, что сайты м6A часто встречаются в областях мРНК, эволюционно сохраненных у многих видов позвоночных животных.

«Это говорит о том, что сайты м6A важны не только для человека, а, скорее, сохранялись при отборе на протяжении сотен миллионов лет эволюции, и поэтому, вероятно, имеют большое значение для всех животных», – высказывает предположение д-р Мейсон. «Это первая демонстрация эпитранскриптомной модификации – изменений в функции РНК, которые не связаны с изменениями в лежащей в их основе последовательности».

«Эти результаты очень, очень интересны и действительно удивительны, если учесть, что мРНК изучается уже так давно и что никто за все это время не понял, что она регулируются таким образом», – продолжает д-р Джеффри. «Это лежало прямо у нас под носом».

Помимо непосредственного изучения того, как м6A регулирует мРНК, ученые сосредоточили свое внимание и на выявлении ферментов и путей, контролирующих само метилирование мРНК.

Уже установлено, что FTO способен обратить вспять метилирование аденина и, очевидно, оказывает влияние на значительную часть мРНК клетки.

«Мутации в FTO, по оценкам, присутствуют у одного миллиарда человек во всем мире и являются основной причиной ожирения и сахарного диабета 2 типа. Наше исследование связывает уровни м6A в мРНК с этими серьезными проблемами и впервые определяет мРНК, потенциально являющиеся мишенями FTO», – поясняет д-р Мейер.

В настоящее время исследователи работают над проблемой неправильной регуляции м6A у больных с мутациями в FTO, приводящими к ожирению и нарушению обмена веществ, а также разрабатывают тесты для быстрой идентификации соединений, ингибирующих активность FTO. Эти соединения, как ожидается, будут подавлять гиперактивный FTO, обнаруженный в организме человека, и могут стать новыми препаратами для лечения диабета и ожирения.

Аннотация к статье

Comprehensive Analysis of mRNA Methylation Reveals Enrichment in 3′ UTRs and near Stop Codons