#2 historie fra 2021: Caltech forskere finner forbløffende roller for ikke-kodende DNA

Følgende ble opprinnelig publisert 3. desember 2021. Oversatt herfra.

Forskere ved Caltech kan ha gjengitt det endelige dødsbudet for "søppel-DNA"-myten. Hvis bare Dan Graur hadde visst dette for år siden, ville det kanskje ha spart mye bortkastet retorikk. ENCODE, husker leserne, fant at 80 prosent av genomet er transkribert, selv om bare en liten del koder for proteiner. Funksjonene til de ikke-kodende regionene ble bare antydet. Nå åpnes vinduene for organisering, så altomfattende for alle de ikke-kodende RNA-transkripsjonene. Det er virkelig forbløffende hva som foregår i cellekjernen.

Bilde 1. 'Junk'-betegnelsen blir historie

Ved å bruke et nytt undersøkelsesverktøy de kaller RD-SPRITE, kartla Caltech-forskere, i samarbeid med andre ved USC og UCLA, den romlige organiseringen av alt DNA og RNA i kjernen. Det var utfordrende, innrømmer de, å utforske de romlige rollene til RNA-transkripsjoner som ikke produserer proteiner, fordi kjernen er et dynamisk sted overfylt med DNA, proteiner og mange RNA-er med ukjent funksjon. La dem forklare i artikkelen deres i Cell (1) hva de fant i kartene som ble resultatet:

Disse kartene avslører høyere ordens RNA-kromatinstrukturer assosiert med tre hovedklasser av kjerne fyissk funksjon: RNA-behandling, heterokromatin-sammenstilling og genregulering. Disse dataene viser at hundrevis av ncRNA-er danner territorier med høy konsentrasjon gjennom hele kjernen, at spesifikke RNA-er kreves for å rekruttere forskjellige regulatorer til disse territoriene, og at disse RNA-ene kan forme langdistanse-DNA-kontakter, heterokromatins-ammensetning og genuttrykk. Disse resultatene demonstrerer en mekanisme der RNA-er danner territorier med høy konsentrasjon, binder seg til diffuserbare regulatorer og leder dem inn i rom for å regulere essensielle kjerne-funksjoner. [Uthevelse lagt til.]

Et nytt bilde begynner å dukke opp av hierarkisk organisering i kjernen. Det ser ikke lenger ut som spaghetti i en basketball. Tvert imot er det territorier og rom i hele interiøret. Caltechs arbeid legger til tidligere kunnskap om kjernemessige rom (seksjoner):
Nucleolus: inneholder transkriberte ribosomale RNA-er og tilhørende prosesseringsmolekyler
Speckles (små-flekker): inneholder pre-mRNA og spleisekomponenter.
Transkripsjons-kondensater: inneholder RNA-polymerase II-maskiner og faktorer
Nå blir ytterligere hierarkisk organisering funnet i kjernen. I de nylig identifiserte territoriene finnes ncRNA-er (ikke-kodende RNA-er, ikke bestemt for protein) - tusenvis av dem - som gjør viktige jobber: å lede regulatorer inn i de riktige territoriene der "essensielle kjerne-funksjoner" må finne sted.

Bilde 2. Transkripsjon: Det lages en RNA-kopi av en gensekvens (DNA)

Planløsning
Funksjonell viktighet krever ikke at disse ncRNA-ene går ut av kjernen for å bli oversatt til proteiner. Arkitektur er en funksjon, er det ikke? Bygnings-designere vurderer nøye plantegningen til et stort kontor, slik at enkeltpersoner kan ha avlukker for effektiv konsentrasjon samt små konferanserom, store konferanserom og laboratorier for teamarbeid. For et bilde som dukker opp av et fullt fungerende genom. Det er som en høyteknologisk virksomhet organisert for optimal arbeidsflyt. {understreking lagt til av oversetter}

Dette er det første globale kartet over kjerne-organisasjon som inkluderer DNA, RNA og protein. Caltech-forskere har undersøkt hvordan disse lett diffunderbare molekylene blir romlig organisert. Tidligere gjorde SPRITE-metoden deres, først rapportert i 2018, dem i stand til å undersøke parvise kontakter i liten skala. Nå bringer deres nylig forbedrede RD-SPRITEs vidvinkelkartlegging den generelle organisasjonen i fokus.

Vi har nylig utviklet SPRITE, som bruker strekkoding med delt og basseng for å generere omfattende og flerveis 3D-kart av kjernen over et bredt spekter av avstander (Quinodoz et al., 2018). Vi viste at SPRITE nøyaktig kartlegger den romlige organiseringen av DNA arrangert rundt to kjerne-legemer: nukleoler og kjerneflekker. Imidlertid kunne ikke vår originalversjon oppdage flertallet av RNA-er, inkludert ncRNA-er med lav overflod som er kjent for å organisere seg innenfor flere veldefinerte kjerne-strukturer. Her introduserer vi en dramatisk forbedret metode, RNA & DNA SPRITE (RD-SPRITE), som muliggjør samtidig, høyoppløselig kartlegging av tusenvis av RNA-er, inkludert lav-rike RNA-er som individuelle begynnende pre-mRNA-er og ncRNA-er, i forhold til alle andre RNA- og DNA-molekyler i 3D-rom. Ved å bruke denne tilnærmingen identifiserer vi flere høyere-ordens RNA-kromatin-huber og hundrevis av ncRNA-er som danner territorier med høy konsentrasjon gjennom hele kjernen.

Bilde 3. Romlig organisering av cellen spiller kritisk rolle

Hva skjer i disse områdene? Artikkelen fokuserer på noen spesifikke eksempler, og viser at noen av dem kombinerer de regulatoriske elementene som letter og forbedrer uttrykket av gener og deres mRNA-transkripsjoner. "Sammen fremhever resultatene våre en rolle for RNA [inkludert ikke-kodende RNA] i dannelsen av seksjoner involvert i essensielle kjerne-funksjoner, inkludert RNA-behandling, heterokromatinmontering og genregulering."

Ikke-kodende RNA's-viktighet
Det som tidligere lite flatterende ble omtalt som «søppel», viser seg å være avgjørende for effektiv genbehandling. Ikke-kodende RNA er transkripsjoner av ikke-kodende DNA ("søppel-DNA"). Her er spesifikke eksempler på disse ncRNA-ene i arbeid.

Bilde 4. RNA spiller viktige roller i cellen

* ncRNA-er danner "behandlingsknutepunkter" rundt genomiske DNA-regioner som blir transkribert.
* ncRNA-er og dusinvis av snoRNA-er (små nukleolære RNA-er) grupperer seg rundt gener som blir transkribert for ribosomale RNA-er. Disse ncRNA-ene "danner flerveis kontakter med hverandre," fant de ut.
*ncRNA-er grupperer seg på spleisesteder der det er høy tetthet av RNA-polymerase II (Pol II, transkripsjonsmaskineriet).
*ncRNA-er er nært knyttet til dannelsen av små kjerne RNA-er (snRNA). Disse snRNA-transkriptene er involvert i "funksjonelle komponenter av spleisosomet ved tusenvis av begynnende pre-mRNA-mål."

Bilde 5. Centromeren har en sentral rolle i kromosomet

ncRNA-er konsentrerer seg rundt transkripsjoner der sentromerer dannes. "Vi fant at disse ncRNA-ene primært lokaliserer seg over sentromer-proksimale regioner ... og organiserer seg i høyere ordens strukturer som inneholder disse ncRNA-ene og flere sentromer-proksimale regioner fra forskjellige kromosomer."
Ved å assosiere sammen ved disse prosesseringsknutepunktene, samler ncRNA-ene og deres ligander komponenter for interaksjon selv over lange genomiske avstander. "Til tross for at de er adskilt av store genomiske avstander, danner disse DNA-regionene langdistanse-kontakter," heter det i artikkelen.

-Sammen indikerer disse resultatene at høyere orden romlig organisering av høyere orden av diffusible regulatorer rundt delte DNA-steder og deres tilsvarende begynnende RNA-mål er et fellestrekk ved mange former for RNA-behandling.

Bilde 6. Ulike typer koder samvirker i cellen

-I hvert av disse eksemplene observerte vi romlige seksjoner som består av: (1) begynnende RNA lokalisert nær deres DNA-loki, (2) disse DNA-loki som danner langdistanse 3D-kontakter, og (3) diffuserbare ncRNA-er som assosieres med disse begynnende RNA-ene og DNA-loki i innen seksjonen.

Kort sagt, "Hundrevis av ikke-kodende RNA-er lokaliserer seg i romlig nærhet til deres transkripsjonelle sted." Dette gjelder også lange ikke-kodende RNA (lncRNA). "Disse resultatene viser at mange hundre lncRNA-er danner romlige territorier med høy konsentrasjon gjennom hele kjernen."

Rekrutteringsoffiserer
ncRNA-ene gjør mer enn bare å danne seksjoner. De rekrutterer proteiner for å komme og bli med i hæren! "Fordi hundrevis av lncRNA-er er beriket i territorier i hele kjernen, undersøkte vi om RNA-er kan påvirke proteinlokalisering i disse territoriene," sa de, -grunnet en anelse. Og sikkert nok, fant ytterligere eksperimentering at dette var tilfelle.

-Disse resultatene viser at lokaliseringsmønsteret til et lncRNA i 3D-rom kan handle for å veilede rekruttering av regulatoriske proteiner til spesifikke kjerne-territorier og fremhever en viktig rolle for disse lncRNA-anrikede kjerne-territoriene i genregulering.
Rollene til disse transkripsjonene, som tidligere ble antatt å være ubrukelige, har steget til status som viktige spillere. For en fantastisk snuoperasjon! Konklusjonen til denne Caltech-artikkelen, som aldri nevner evolusjon, ser ut til å spikre saken for søppel-DNA, samtidig som den tilfører nye nivåer av ærefrykt for arbeidet inni kjernen.

Resultatene våre viser at ncRNA-er kan fungere som frø for å drive romlig lokalisering av ellers diffusive ncRNA- og proteinmolekyler. Vi viste at eksperimentelle forstyrrelser av flere ncRNA-er forstyrrer lokalisering av diffuserbare proteiner ... i dusinvis av oppdelte strukturer. I alle tilfeller observerte vi et felles tema der (1) spesifikke RNA-er lokaliserer seg i høye konsentrasjoner i nærheten av deres transkripsjonelle loki og (2) diffuserbare ncRNA- og proteinmolekyler som binder seg til dem er anriket i disse strukturene.

Bilde 7. Artikkelen bidrar til endelikt for 'junk-DNA' termen

Sammen antyder disse observasjonene en felles mekanisme som RNA kan formidle kjerne- kompartmentalisering: kjerne RNA-er kan danne romlige territorier med høy konsentrasjon nær deres transkripsjonelle loki ('sår'), binde seg til diffusible regulatoriske ncRNA-er og proteiner gjennom høyaffinitets-interaksjoner ('binder'), og dermed handle for å dynamisk endre fordelingen av diffusible molekyler slik at de blir anriket innenfor disse territoriene ('rekrutter'; figur 7). Ved å rekruttere diffuserbare regulatoriske faktorer til flere DNA-steder, kan disse ncRNA-ene også virke for å drive sammensmelting av distinkte DNA-regioner til et delt territorium i kjernen. Dette kan forklare hvorfor ulike RNA-er er avgjørende for å organisere langdistanse-DNA-interaksjoner rundt spesifikke kjerne-legemer.
Dette er en artikkel å huske. Det viser i ettertid fruktbarheten av ID-perspektivet fremfor det evolusjonære. Evolusjonær tenkning avfeide disse ikke-kodende RNA-ene som søppel. ID-tenkning ville ha nærmet seg det ukjente med premisset: "Hvis noe fungerer, skjer det ikke ved et uhell."

Referanser
1. Quinodoz et al., RNA promotes the formation of spatial compartments in the nucleus. Cell, 4 Nov 2021, https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.014.