Учёные нашли скрытый белок в человеческой РНК, которая считалась «некодирующей»

Исследователи из Гётеборгского университета обнаружили ранее неизвестный белок, закодированный в молекуле РНК, которая классифицировалась как некодирующая. Белок получил название MSEP. Он, по-видимому, участвует в одном из самых фундаментальных процессов внутри организма: упорядоченном расхождении хромосом при делении клетки. При этом сама РНК, несущая инструкции для MSEP, тоже выполняет полезную работу — молекула РНК и производимый ею белок действуют через разные пути, но в конечном счёте поддерживают работу одного и того же механизма расхождения хромосом.

Что такое «некодирующая» РНК и почему граница оказалась размытой

Каждая человеческая клетка содержит огромный объём генетической информации. ДНК хранит инструкции, а молекулы РНК помогают использовать, регулировать и транспортировать эту информацию. Одна из известных форм — матричная РНК — несёт инструкции, которые клеточные механизмы считывают для производства белков. Другие молекулы РНК традиционно относили к различным некодирующим категориям, поскольку считалось, что они не содержат инструкций для создания белков.

Учёные давно знают, что «некодирующая» не означает «бесполезная». Многие некодирующие РНК выполняют важные регуляторные роли и помогают контролировать, какие гены активны, когда они активны и как ведут себя клетки. Но новые технологии сейчас раскрывают нечто иное: некоторые РНК, отнесённые к категории некодирующих, по-видимому, способны производить ранее незамеченные белки или крошечные белки, известные как микробелки.

MSEP появился именно из такой незамеченной области. Исследователи обнаружили, что он кодируется молекулой РНК под названием ARHGEF17-AS1, которая классифицировалась как некодирующая. Когда команда изучила её внимательнее, выяснилось, что молекула делает значительно больше, чем предполагала её классификация.

Роль MSEP в делении клетки

MSEP, по-видимому, помогает организовывать митотическое веретено. Чтобы понять, почему исследователи заинтересовались этим белком, нужно представить, что должно произойти, когда одна клетка превращается в две. Перед делением её генетический материал копируется. Затем удвоенные хромосомы должны быть разделены с исключительной точностью, чтобы каждая новая клетка получила правильный набор.

Большую часть этой работы выполняет митотическое веретено — микроскопическая структура, построенная в основном из волокон, называемых микротрубочками. Эти волокна организуются вокруг хромосом и помогают тянуть копии к противоположным сторонам делящейся клетки. Ошибки в этом процессе могут оставить клетки с недостающими или лишними хромосомами, поэтому клетки выработали сложный набор белков и контрольных точек, чтобы держать деление под контролем.

Исследователи обнаружили, что и MSEP, и его родительская РНК, ARHGEF17-AS1, способствуют поддержанию этого веретённого механизма. Однако они, по-видимому, делают это не одинаковым образом.

Сагар Махале, исследователь Академии Сальгренска Гётеборгского университета и первый автор обоих исследований, объяснил, что молекула РНК и белок действуют через разные пути, но в конечном счёте поддерживают одну и ту же важную структуру во время деления клетки.

Исследователи смогли экспериментально разделить эти роли. В культивируемых клетках они изменяли молекулу РНК независимо от производства MSEP, что позволило изучить, что происходило, когда каждый компонент нарушался. Это дало доказательство того, что учёные имеют дело не просто с молекулой РНК, единственной функцией которой было производство белка. Вместо этого один и тот же генетический участок, по-видимому, способен генерировать два биологически активных продукта.

«Бифункциональная РНК»: два продукта из одного участка

Биологи иногда описывают подобные примеры как «бифункциональная РНК». Одна молекула может обладать активностью как РНК, одновременно неся открытую рамку считывания, способную производить функциональный белок или микробелок. Открытия таких молекул заставляют исследователей по-новому взглянуть на генетические области, которые конвенциональные системы аннотации могли пропустить.

Часть причины, по которой они оставались скрытыми, — размер. Традиционные поиски белков строились на предположениях, выработанных из уже известных белок-кодирующих генов, которые учёные идентифицировали. Чрезвычайно короткие участки, способные производить крошечные белки, могли легко отфильтровываться или отметаться как маловероятные для выполнения функции. Некоторые из самих белков также трудно обнаружить, потому что они могут существовать в ничтожных количествах, быстро исчезать или состоять лишь из небольшого числа аминокислот.

Современные методы меняют это. Рибосомный профайлинг (метод определения участков активного считывания РНК) может показать, где белок-синтезирующий аппарат клетки активно читает РНК. Более чувствительные формы масс-спектрометрии (метода анализа вещества по массе его ионов) могут искать крошечные белковые продукты, которые ранее ускользали от обнаружения, а улучшенные вычислительные методы позволяют идентифицировать возможные белок-производящие области, скрытые внутри последовательностей, уже получивших другую функцию.

Вместе эти подходы обнажают то, что исследователи всё чаще называют «скрытым протеомом»: совокупность белков и микробелков, отсутствовавших в старых каталогах человеческой биологии.

Недавние обзоры в этой области описывают тысячи неаннотированных коротких или альтернативных открытых рамок считывания по геномам млекопитающих. Учёные уже подтвердили биологические функции для некоторых из получившихся белков, тогда как роли многих других остаются неизвестными. Обнаружение доказательства того, что что-то транслируется в белок, не означает автоматически, что этот белок выполняет важную функцию, поэтому каждого кандидата всё ещё нужно исследовать экспериментально.

MSEP и связь с раком

MSEP выделяется потому, что исследователи пошли дальше простого его обнаружения. Их эксперименты указывают, что белок участвует в организации митотического веретена и может изучаться отдельно от функции РНК, которая его кодирует.

Деление клеток неизбежно втягивает в картину исследования рака. Раковые клетки зависят от повторяющегося деления для роста, поэтому белки, участвующие в механизме, контролирующем этот процесс, привлекают внимание исследователей, ищущих биологические слабости, которые можно было бы в конечном счёте использовать.

В клеточных линиях, изученных гётеборгской командой, MSEP присутствовал на более высоких уровнях в раковых клетках, чем в нормальных клеточных линиях. Исследователи также снижали уровень ARHGEF17-AS1 или вмешивались в производство MSEP в культивируемых клетках рака шейки матки. В обоих случаях клетки становились менее способными расти и размножаться.

Эти лабораторные результаты — ранняя подсказка, а не доказательство нового лечения рака. Профессор Чандрасекхар Кандури, старший автор обоих исследований, сказал, что находки делают интересным исследование того, могут ли некоторые опухоли сильно зависеть от MSEP для продолжения деления. Текущие эксперименты проводились на культивируемых клетках, и исследователям ещё предстоит определить, как MSEP ведёт себя в реальных опухолях и нормальных тканях, прежде чем можно будет установить его медицинское значение.

Что это меняет в картине человеческого протеома

Даже без связи с раком открытие вписывается в гораздо более широкий сдвиг в генетике.

Наша картина человеческого протеома собиралась десятилетиями путём идентификации генов, РНК-транскриптов и белков, которые эти гены производят. Может возникнуть соблазн представить, что этот каталог теперь в основном полон. Исследования микробелков предполагают, что картировать осталось значительно больше, особенно среди малых белков, производимых из генетических областей, которые ранние методы не были предназначены распознавать.

Учёные не открывают совершенно новый человеческий геном. Они учатся читать знакомый генетический материал с более тонким разрешением. Последовательности, уже находящиеся в базах данных, могут раскрыть дополнительные слои активности, как только у исследователей появятся инструменты, способные обнаружить то, что они производят.

ARHGEF17-AS1 иллюстрирует, насколько удивительными могут быть эти слои. Молекула, классифицированная как некодирующая, оказывается содержащей инструкции для MSEP. В то же время РНК сохраняет собственную отдельную функцию. Два продукта возникают из одного генетического участка, следуют разными маршрутами через клетку и сходятся на механизме, необходимом для расхождения хромосом.

MSEP вряд ли окажется последним примером. Исследователи, изучающие скрытый протеом, уже находят микробелки, участвующие в сигнальных путях, метаболизме, иммунитете, росте клеток и других процессах. Многие кандидаты едва исследованы, тогда как другие могут в конечном счёте оказаться не имеющими большого биологического значения.

Разделение одной группы от другой может занять у исследователей годы.

Пока же один ранее незамеченный участок человеческой РНК уже дал функционирующий белок, о существовании которого учёные не знали. По мере того как всё более чувствительные инструменты нацеливаются на другие предположительно некодирующие области, окончательный каталог белков, работающих внутри человеческой клетки, может оказаться значительно больше и страннее того, с которого биология начинала.