Группа ученых из России изучила роль двухцепочечных фрагментов созревающей РНК и показала, что взаимодействие между ее удаленными частями может регулировать экспрессию генов. Исследование опубликовано в Nature Communications.

ДНК и РНК — дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты — важнейшие части организма человека. ДНК — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Молекула ДНК хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. В свою очередь, РНК — одна из трех основных макромолекул (две другие — ДНК и белки), которые содержатся в клетках всех живых организмов и играют важную роль в кодировании, прочтении, регуляции и выражении генов.

В школе мы узнаем, что ДНК — двухцепочечная структура, а РНК — одноцепочечная. Но это не совсем так. Ученые сталкивались с ситуацией, когда РНК образовывала двухцепочечную (так называемую вторичную) структуру, которая играет важную роль в функционировании ее молекул. Эти структуры участвуют в регуляции экспрессии генов, где двухцепочечные области обычно несут определенные функции, и в случае потери могут вызывать серьезные нарушения. Двухцепочечная структура создается липкими дополнительными областями.

В состав РНК входят следующие нуклеозиды:

• Аденин + рибоза = аденозин (A)
• Гуанин + рибоза = гуанозин (G)
• Цитозин + рибоза = цитидин (С)
• Урацил + рибоза = уридин (U)

В случае нуклеиновых кислот — как олиго- так и полинуклеотидов — азотистые основания нуклеотидов способны из-за образования водородных связей формировать парные комплексы аденин-тимин (или урацил в РНК) и гуанин-цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот. Такое взаимодействие называется комплементарностью нуклеиновых кислот, и оно играет ключевую роль в ряде фундаментальных процессов хранения и передачи генетической информации: репликации ДНК, обеспечивающей передачу генетической информации при делении клетки, транскрипции ДНК в РНК при синтезе белков, кодируемых ДНК гена, хранении генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессах репарации ДНК при её повреждении.

Иными словами, чтобы части РНК «прилипали» друг к другу, буквы U и G должны отображаться напротив A и C соответственно. Большинство прилипающих областей расположены близко друг к другу. Однако роль тех, которые расположены на отдалении, не совсем понятна.

Ученые из Центра наук о жизни Сколтеха под руководством профессора Дмитрия Первушина и их коллег из российских и международных лабораторий провели совместное исследование. Они использовали методы молекулярной и биоинформатики для анализа структуры и роли комплементарных участков РНК, которые расположены далеко друг от друга, но при этом способны образовывать вторичные структуры. Вообще у РНК есть две структуры — первичная и вторичная.

Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи РНК. Такая цепь стабилизируется 3′,5′-фосфодиэфирными связями. В свою очередь, вторичная структура — конформационное расположение главной цепи макромолекулы (например, полипептидная цепь белка или цепи нуклеиновых кислот), независимо от конформации боковых цепей или отношения к другим сегментам. В описании вторичной структуры важным является определение водородных связей, которые стабилизируют отдельные фрагменты макромолекул.

Благодаря новой работе выяснилось, что вторичная структура играет важную роль в созревании молекул РНК, несущих информацию, и особенно в сплайсинге. Это процесс, в котором некодирующие области вырезаются, а кодирующие — сшиваются вместе (как в процессе созревания молекул РНК). Ученые показали, что вторичные структуры РНК могут регулировать сплайсинг и, таким образом, вносить большой вклад в регуляцию генов, чем считалось ранее.

Биологи опубликовали обширный каталог потенциально важных структур РНК, основанный на вычислениях. Однако авторы работы отмечают, что экспериментальные исследования в этом направлении только начинаются.