Även om du kanske inte uppskattar dem, eller ens har hört talas om dem, i hela din kropp, är otaliga mikroskopiska maskiner som kallas spliceosomer hårt på jobbet. När du sitter och läser sätter de troget och snabbt ihop den trasiga informationen i dina gener genom att ta bort sekvenser som kallas "introner" så att dina budbärar-RNA:n kan skapa de rätta proteinerna som dina celler behöver.
Introner är kanske ett av vårt genoms största mysterier. De är DNA-sekvenser som avbryter den förnuftiga proteinkodande informationen i dina gener och måste "skarvas ut". Det mänskliga genomet har hundratusentals introner, cirka 7 eller 8 per gen, och var och en tas bort av ett specialiserat RNA-proteinkomplex som kallas "spliceosomen" som skär ut alla introner och splitsar ihop de återstående kodande sekvenserna, kallade exoner. Hur detta system av trasiga gener och spliceosomen utvecklades i våra genom är inte känt.
Under sin långa karriär har Manny Ares, UC Santa Cruz framstående professor i molekylär-, cell- och utvecklingsbiologi, gjort det till sin mission att lära sig så mycket om RNA-skarvning som han kan.
"Jag handlar om spliceosomen," sa Ares. "Jag vill bara veta allt som spliceosomen gör – även om jag inte vet varför den gör det."
I en ny artikel publicerad i tidskriften Genes and Development , rapporterar Ares om en överraskande upptäckt om spliceosomen som kan berätta mer om utvecklingen av olika arter och hur celler har anpassat sig till det märkliga problemet med introner. Författarna visar att efter att spliceosomen är klar med att splitsa mRNA:t förblir den aktiv och kan engagera sig i ytterligare reaktioner med de borttagna intronerna.
Denna upptäckt ger den starkaste indikationen vi har hittills att spliceosomer skulle kunna återinsätta en intron tillbaka i genomet på en annan plats. Detta är en förmåga som spliceosomer inte tidigare troddes besitta, men som är ett vanligt kännetecken för "Grupp II-introner", avlägsna kusiner till spliceosomen som främst finns i bakterier.
Splitsosom- och grupp II-intronerna tros ha en gemensam förfader som var ansvarig för att sprida introner genom genomet, men medan grupp II-introner kan splitsa sig själva ur RNA och sedan direkt tillbaka in i DNA, de "spliceosomala intronerna" som finns i de flesta organismer på högre nivå kräver spliceosomen för splitsning och ansågs inte återinsättas i DNA. Ares labs upptäckt indikerar dock att spliceosomen fortfarande kan återinsätta introner i genomet idag. Detta är en spännande möjlighet att överväga eftersom introner som återinförs i DNA lägger till komplexitet till genomet, och att förstå mer om var dessa introner kommer ifrån kan hjälpa oss att bättre förstå hur organismer fortsätter att utvecklas.
En organisms gener är gjorda av DNA, där fyra baser, adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T) är ordnade i sekvenser som kodar för biologiska instruktioner, som hur man gör specifika proteiner till kroppen behov. Innan dessa instruktioner kan läsas, kopieras DNA:t till RNA genom en process som kallas transkription, och sedan måste intronerna i det RNA:t tas bort innan en ribosom kan översätta det till faktiska proteiner.
Spliceosomen tar bort introner med hjälp av en tvåstegsprocess som resulterar i att intron-RNA:t har en av sina ändar sammanfogade med mitten och bildar en cirkel med en svans som ser ut som en cowboys "lariat" eller lasso. Detta utseende har lett till att de fått namnet "lariat introns". Nyligen gjorde forskare vid Brown University som studerade placeringen av sammanfogningsplatserna i dessa lariater en udda observation – vissa introner var faktiskt cirkulära istället för lariatformade.
Denna observation fick omedelbart Ares uppmärksamhet. Något verkade interagera med lariat-intronerna efter att de tagits bort från RNA-sekvensen för att ändra form, och spliceosomen var hans huvudmisstänkta.
"Jag tyckte det var intressant på grund av denna gamla, gamla idé om var introner kom ifrån," sa Ares. "Det finns många bevis för att RNA-delarna av spliceosomen, snRNA, är nära besläktade med grupp II-introner."
Eftersom den kemiska mekanismen för skarvning är mycket lik mellan spliceosomerna och deras avlägsna kusiner, grupp II-intronerna, har många forskare teoretiserat att när processen med självskarvning blev för ineffektiv för att grupp II-introner skulle kunna slutföras tillförlitligt på egen hand, dessa introner utvecklades till att bli spliceosomen. Medan grupp II-introner kunde infoga sig själva direkt tillbaka i DNA, trodde man dock inte att spliceosomala introner som krävde hjälp av spliceosomer kunde infogas tillbaka i DNA.
"En av frågorna som saknades i den här historien i mitt sinne var, är det möjligt att den moderna spliceosomen fortfarande kan ta ett lariat-intron och infoga det någonstans i genomet?" sa Ares. "Är den fortfarande kapabel att göra vad förfäderkomplexet gjorde?"
För att börja svara på denna fråga bestämde sig Ares för att undersöka om det verkligen var spliceosomen som gjorde ändringar i lariat-intronerna för att ta bort deras svansar. Hans labb saktade ned skarvningsprocessen i jästceller och upptäckte att efter att spliceosomen släppte ut mRNA som den hade slutat skarva introner från, hängde den på intronlariater och omformade dem till sanna cirklar. Ares-labbet kunde omanalysera publicerade RNA-sekvenseringsdata från mänskliga celler och fann att mänskliga spliceosomer också hade denna förmåga.
"Vi är exalterade över detta för även om vi inte vet vad detta cirkulära RNA kan göra, tyder det faktum att spliceosomen fortfarande är aktiv på att det kan katalysera införandet av lariat-intronet tillbaka i genomet," sa Ares.
Om spliceosomen kan återinsätta intronet i DNA, skulle detta också lägga betydande vikt till teorin att spliceosomer och grupp II-introner delade en gemensam förfader för länge sedan.
Nu när Ares och hans labb har visat att spliceosomen har den katalytiska förmågan att hypotetiskt placera introner tillbaka i DNA som deras förfäder gjorde, är nästa steg för forskarna att skapa en konstgjord situation där de "matar" en DNA-sträng till en spliceosom som fortfarande är fäst vid en lariat-intron och se om de faktiskt kan få den att infoga intronen någonstans, vilket skulle ge "proof of concept" för denna teori.
Om spliceosomen kan återinsätta introner i genomet är det sannolikt en mycket sällsynt händelse hos människor, eftersom de mänskliga spliceosomerna är otroligt efterfrågade och därför inte har mycket tid att spendera med borttagna introner. I andra organismer där spliceosomen inte är lika upptagen, kan återinsättningen av introner vara mer frekvent. Ares har ett nära samarbete med UCSC Biomolecular Engineering Professor Russ Corbett-Detig, som nyligen har lett en systematisk och uttömmande jakt på nya introner i tillgängliga genomen för alla introninnehållande arter som publicerades i tidskriften Proceedings of the National Academy vetenskap (PNAS ) förra året.
Tidningen i PNAS visade att intron "sprängde" händelser långt tillbaka i evolutionär historia troligen introducerade tusentals introns i ett genom på en gång. Ares och Corbett-Detig arbetar nu för att återskapa en burst-händelse på konstgjord väg, vilket skulle ge dem insikt i hur genomerna reagerade när detta hände.
Ares sa att hans tvärvetenskapliga partnerskap med Corbett-Detig har öppnat dörrarna för dem att verkligen gräva i några av de största mysterierna om introner som förmodligen skulle vara omöjliga för dem att förstå fullt ut utan deras kombinerade expertis.
"Det är det bästa sättet att göra saker," sa Ares. "När du hittar någon som har samma typ av frågor i åtanke men en annan uppsättning metoder, perspektiv, fördomar och konstiga idéer, blir det mer spännande. Det gör att du känner att du kan bryta ut och lösa ett problem som detta, vilket är väldigt komplicerat."
Mer information: Manuel Ares et al, Intron lariat spliceosomer omvandlar lariat till sanna cirklar:implikationer för introntransposition, gener och utveckling (2024). DOI:10.1101/gad.351764.124
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences , Gener och utveckling
Tillhandahålls av University of California - Santa Cruz
