Ученые из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института (MIT) выяснили, как работает «транскрипционная адаптация» — способность клеток компенсировать влияние мутаций за счет повышения активности схожих генов. Важную роль в этом процессе играет белок ILF3, который переносит фрагменты поврежденной РНК в ядро и использует их в качестве сигнала для активации резервных участков ДНК. Это открытие открывает возможности для разработки препаратов, стимулирующих способность клеток к самовосстановлению без необходимости редактирования генома.
Внутри клеток функционируют системы, предназначенные для устранения или компенсации повреждений в генах. Одним из таких защитных механизмов является «транскрипционная адаптация». Суть его работы заключается в следующем: при обнаружении дефектной матричной РНК (мРНК) клетка разрушает ее, однако использует продукты распада в качестве сигнала тревоги. Этот сигнал стимулирует активацию резервных, здоровых генов (паралогов), которые начинают выполнять функции вышедшей из строя.
На протяжении длительного периода ученым было неизвестно, каким образом сведения о повреждениях, возникающих в цитоплазме при удалении клеточного «мусора», доходят до ядра, где находится ДНК и происходит создание новых молекул.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Science, для проведения исследования использовали модельные клетки мышей, имеющие мутацию в гене актина (Actg1), которая в обычных условиях приводит к активации другого гена (Actg2). Исследователи применяли полногеномный CRISPR-скрининг, последовательно блокируя активность тысяч генов в целях выявления гена, ответственного за нарушение защитного механизма.
Для определения точной последовательности, служащей сигналом запуска спасательного механизма, в клетки добавлялись тысячи синтетических фрагментов РНК различной длины. С помощью биохимических методов исследователи проанализировали, какие участки генома связывает белок, выполняющий роль посредника.
Анализ позволил установить, что белок ILF3 играет ключевую роль в этом процессе. Он связывает фрагменты дефектной мутантной РНК, находящиеся в цитоплазме, и транспортирует их в ядро клетки. Внутри ядра этот комплекс обнаруживает на ДНК здорового гена-паралога антисмысловую цепочку, комплементарную фрагменту РНК.
ILF3, взаимодействуя с целевой структурой, модифицирует хроматин, повышая его открытость и ускоряя транскрипцию генов).
Исследователи подтвердили возможность применения данной системы в терапии. Введение в клетку небольшого фрагмента синтетической РНК, имитирующей поврежденный участок, спровоцировало активацию нормальной копии гена PKD1, дефект которого вызывает поликистоз почек. Для этого не обязательно наличие фактической генетической ошибки – достаточно подать клетке искусственный сигнал о неисправности.
Новая разработка представляет собой подход к терапии генетических недугов, не требующий изменений в структуре ДНК. Вместо трудоемкой коррекции мутаций с использованием технологий генной инженерии, специалисты смогут применять короткие олигонуклеотиды для стимуляции активности скрытых, неповрежденных генов или функциональных заменителей дефектных генов.