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新技术将展示RNA如何调节基因活动

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在哺乳动物基因组中发现了大量的长链非蛋白编码rna,即lncRNAs,这是近年来大规模基因组学研究的一大惊喜。一个由俄罗斯科学院生物技术研究中心和莫斯科物理与技术研究所的生物信息学家组成的国际团队已经开发出一种可靠的方法来评估这些rna的作用。这项新技术及其获得的数据可以产生关于染色质如何组成和调控的重要假设,以及识别lncRNAs的具体功能。

发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的这项技术被称为radical -seq,它能对每一个RNA进行全面的定位,在与它所瞄准的所有基因组区域相互作用时捕获,其中许多RNA可能对基因组调控和结构维护很重要。

RNA与基因调控

以前人们认为,RNA主要作为构建基于DNA模板的蛋白质的中介(图1a),很少有例外,如核糖体RNA。然而,随着基因组分析的发展,发现并不是所有的DNA区域都能编码RNA,也不是所有的转录RNA都能编码蛋白质。

虽然非编码RNA的数量与编码蛋白质的数量大致相同,但大多数非编码RNA的功能仍不完全清楚。

每种类型的细胞都有自己的一套活跃基因,从而产生特定的蛋白质。这使得脑细胞不同于同一个组织的血细胞——尽管两者具有相同的DNA。科学家们现在得出结论,RNA是决定哪些基因表达或活跃的因素之一。

已知的长链非编码rna与与蛋白质紧密包裹的染色质dna相互作用(图1b)。染色质具有改变其构象或“形状”的能力,因此某些基因要么暴露出来转录,要么隐藏起来。长链非编码rna通过与特定的染色质区域相互作用,促成了这种构象的改变以及由此导致的基因活性的改变。要了解RNA的调控潜力(除了它是蛋白质合成的模板外),重要的是要知道任何给定的RNA与哪个染色质区域相互作用。

新技术将展示RNA如何调节基因活动

它是如何工作的

rna与细胞核内的染色质相互作用,与染色质相关的蛋白质结合,折叠DNA分子。有几种技术可以绘制这种rna -染色质相互作用的图谱。然而,它们都有显著的局限性。它们往往会错过相互作用,或需要大量输入材料,或破坏核结构。

为了解决这些问题,一个由里肯领导的团队提出了一种新方法:RNA和DNA相互作用复合物的结扎和测序,或简称为radical -seq。该技术产生更精确的结果,并保持细胞完整,直到连接rna -染色质接触。

radical -seq方法的主要思想如下。首先,RNA与甲醛在细胞核中靠近它的蛋白质发生交联。然后,DNA被一种特殊的蛋白质分解成片段。之后,利用RNase H处理降低核糖体RNA含量,从而提高结果的准确性。然后,通过使用桥接适配器(具有单链和双链末端的分子)连接近端DNA和RNA(图2a)。交联反转后,RNA-适配器-DNA嵌合体转化为双链DNA进行测序(图2b),显示连接的RNA和DNA的序列。

非编码解码

与其他现有方法相比,radical -seq能更准确地绘制rna -染色质相互作用。此外,该技术的优越分辨率使研究小组不仅可以检测染色质与非编码rna的相互作用,还可以检测编码rna,包括那些远离转录位点的rna。研究证实,长链非编码rna在基因表达调控中发挥重要作用,发生在离被调控基因相当远的地方。

该技术也可用于研究细胞类型特异性rna -染色质相互作用。科学家们通过观察老鼠细胞中的两个非编码rna证实了这一点,其中一个可能与精神分裂症有关。他们发现,染色质和这些rna在两个不同的细胞(胚胎干细胞和少突胶质细胞的祖细胞)中的相互作用模式与这些细胞类型的优先基因表达相关(图3)。

新方法的灵活性意味着科学家可以通过修改实验来收集更多的生物信息。特别是,这项技术可以使识别不受染色质蛋白介导的直接RNA-DNA相互作用成为可能。来自生物技术研究中心和MIPT的生物信息学家进行的分析表明,不仅DNA和RNA之间的标准双螺旋相互作用,而且涉及RNA-DNA三联体的相互作用也可以参与基因调控。这种相互作用也突出了非编码RNA在蛋白质靶向特定基因位点的重要性。

“我们计划对RNA在调控基因表达、染色质重塑以及最终的细胞识别中的作用进行进一步的研究。”希望在不久的将来,我们能够通过使用这些非编码rna来调节基因。这对治疗疾病特别有帮助,”Yulia Medvedeva说,她领导着生物技术研究中心(RAS)的调节转录组和表观基因组组,并领导着MIPT的细胞技术生物信息学实验室。她还管理着由俄罗斯科学基金会(Russian Science Foundation)资助的拨款项目,该基金会共同资助了这项研究。

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