9 Minutės
Skruzdėlės savo socialinį gyvenimą ir elgesį grindžia itin tikslia uosle: feromonai nurodo kelią, pažymi maisto šaltinius, įspėja apie pavojų ir padeda atpažinti lizdo draugus. Siekti uoslės aiškumo padeda viena pagrindinių olfaktinės neurologijos taisyklių — kiekvienas jutimo neuronas dažniausiai aktyvina tik vieną uoslės receptorių geną. Tačiau tai, kaip taisyklė išlieka, kai skruzdėlių genomuose yra šimtai artimų receptorinių genų, buvo ilgai neaišku.
Skruzdėlių uoslės pasaulis: genų gausa ir iššūkiai
Gyvūnų karalystėje skruzdėlės išsiskiria didžiuliu uoslės receptorių repertuaru. Jei vaisinės muselės turi apie 60 receptorių genų, daugelyje skruzdėlių rūšių jų skaičius siekia kelis šimtus. Dauguma šių genų yra susitelkę į tankias klasterių grandines genomuose ir pasižymi labai panašiomis sekvencijomis. Tokia artima genetinė kaimynystė kelia problemą: jeigu neuronai netinkamai aktyvuotų kelis gretimus receptorius, cheminiai signalai sumaišytųsi ir sumažėtų feromonų pranešimų aiškumas.
Įsivaizduokite paštą, kuriame kiekvienas namas turi savo pašto dėžutę; jei kelios dėžutės atsidarys vienu metu, laiškai nuskriaus ne tik gavėją, bet ir pašto tvarką. Panašiai, vienas neuromolekulinis mechanizmas turi užtikrinti, kad kiekvienas jutimo neuronas turėtų vieną, aiškiai apibrėžtą receptorių. Nauji tyrimai su kloniniu skruzdžių tipeliu (clonal raider ant) atskleidžia rafinuotą molekulinį sprendimą — dvipusę transkripcijos strategiją, kuri saugo pasirinktą receptorių ir išjungia jo kaimynus.
Atrasta sistema: transkripcinis interferavimas kaip apsauga
Rockefeller universiteto komanda, vadovaujama Danieliaus Kronauer, parodė, kad skruzdžių olfaktorinės ląstelės naudoja dvipusį transkripcinį mechanizmą, pavadintą transkripciniu interferavimu, kad pažymėtų vieną receptorinį geną kaip aktyvų ir tuo pačiu užtildytų gretimus. Remiantis Current Biology publikuotu tyrimu, mokslininkai derino genų ekspresijos žemėlapius, RNA sekvenavimą ir RNA fluorescencinę in situ hibridizaciją (RNA FISH), kad užfiksuotų, kaip vienas receptorius išeina iš minios ir lieka vienintelis aktyvus.
Kai skruzdėlės uoslės neuronas „pasirenka" vieną receptorinį geną, įprastai transkribuojančioji sistema — polimerazė II (RNA polimerazė II) — neapsiriboja tik įprastu transkripcijos pabaigos tašku. Ji dažnai perskrieja toliau ir sukuria vadinamuosius „readthrough" arba išplėstinius transkriptus, kurie tęsiasi per žemiau esančius (downstream) receptorinius genus. Šie ilgi transkriptai dažnai lieka ląstelės branduolyje, mat, atrodo, neturi reikalingų žymų (angl. tags) išeiti į citoplazmą kaip funkcionalūs mRNA. Nors tokiu pavidalu jie greičiausiai neatlieka baltymų kodavimo funkcijos, jų egzistavimas efektyviai slopina tolesnių genų aktyvaciją.
Lygiagrečiai neuronas gamina antisense transkriptus — RNR molekules, transkribuotas priešinga kryptimi, kurios trukdo aktyvuotis genams, esantiems aukščiau (upstream). Kartu readthrough ir antisense transkripcijos kuria tarsi apsauginį voką aplink pasirinktą receptorinį geną: iš vienos pusės blokuojamas produktyvus žemiau esančių genų transkribavimas, o iš kitos pusės — trikdomas aukščiau esančių genų paleidimo mechanizmas. Tokiu būdu neuronas užtikrina vieno receptoriaus tapatybę be galimybės, kad gretimi genai suintensyvintų triukšmą.
Mechanizmo subtilybės: kodėl transkriptai lieka branduolyje?
Vienas intriguojančių atradimo aspektų — kodėl readthrough transkriptai neskeliauja į citoplazmą ir nesiverčia funkcinėmis mRNA. Tyrėjai mano, kad šie išplėstiniai transkriptai praleidžia chemines žymes, reikalingas branduoliui palikti, arba jų sudėtis trukdo modifikacijoms, pavyzdžiui, 5' kapavimui arba 3' poliadenilinimui. Branduolyje užstrigę transkriptai gali fiziškai arba molekuliškai blokuoti prieigą prie gretimų promotorių, taip slopindami naujų, produktyvių transkriptų pradžią ir užtikrindami vieno receptoriaus aktyvumą.
Kaip tyrėjai įrodė mechanizmą: metodai ir pagrindiniai duomenys
Kronauer laboratorija dirbo su antenų audiniais iš kloninių skruzdžių ir tyrė ekspresiją labai aukšta skiriamojo gebėjimo lygiu. Jie naudojo individualių ląstelių lygmens RNA sekvenavimą, kad nustatytų, kurie receptorių genai buvo aktyvūs atskirose ląstelėse. RNA FISH leido lokalizuoti specifinius transkriptus antenoje ir ląstelių branduoliuose, o kompiuterinė analizė apjungė šiuos eksperimentinius duomenis į sudėtingesnę transkripcijos dinamikos schemą.
Tyrėjai pastebėjo ilgas RNA grandines, apimančias kelis artimus receptorių genus, ir aptiko antisense RNA orientaciją prieš gretimus genus. Modeliavimas ir molekulinės intervencijos — pavyzdžiui, slopinimo arba dirbtinio perkirtimo eksperimentai — parodė, kad tiek readthrough, tiek antisense mechanizmai veikia kaip fiziologiniai „užtvarai", trukdantys pilnaverčiam gretimų genų transkribavimui. Tokie bandymai rodė, kad transkripcijos sutrikdymas šalia pasirinktino geno buvo pakankamas, kad neuronas išsaugotų vieną receptorių identitetą.
Vienas doktorantas Giacomo Glotzer komentavo, kad kiekvienas jutimo neuronas turi unikalią molekulinę tapatybę, nes jis „įsipareigoja" vienam receptorinio geno variantui, o transkripcinis interferavimas yra sprendimas, skirtingas nuo galiojančių mechanizmų muselėse ar žinduoliuose. Kitas komandos narys pabrėžė, jog nutraukus produktuose transkripciją aplink pasirinktą geną, pakanka užtikrinti vieno receptoriaus identitetą neurone.
Skruzdėlės, muselės ir žinduoliai: skirtingi sprendimai tai pačiai problemai
Biologijoje dažnai tas pats klausimas turi skirtingus atsakymus. Muselėms (Drosophila) būdingi labai tikslūs reguliaciniai jungikliai, leidžiantys atskirai aktyvuoti atskirus receptorių genus. Žinduoliai remiasi stokastiniais procesais ir chromatino pertvarkomis, kurios palaipsniui palieka vieną receptorinį geną aktyvų. Skruzdėlės, turėdamos milžinišką receptorių šeimą ir tankius genų klasterius, pasirinko transkripcinį sprendimą, kuris yra praktiškas ir lengvai „skalaujasi" prie gausėjančio genų skaičiaus be būtinybės sukurti unikalius reguliacinius elementus kiekvienam naujam genui.
Toks mechanizmas gali paaiškinti, kodėl skruzdėlių receptorių repertuarai evoliucionuoja sparčiai: naujos kopijos gali būti įtrauktos į egzistuojančią architektūrą, o readthrough/antisense „sargas" apsaugo nuo netyčinės bendros aktyvacijos. Kitaip tariant, šis mechanizmas suteikia evoliucinei lankstumui vietos — genų šeima gali plėstis be rizikos prarasti neuronų identiteto stabilumą.
Platesnės pasekmės: kitų vabzdžių pavyzdžiai ir biotechnologinės galimybės
Komanda patikrino analogiškas sąveikas ir kitose socialinėse vabzdžių grupėse, įskaitant Indijos šokinėjančiąją skruzdę ir medunešę bitę. Pastebėjus panašius procesus, tampa aišku, kad transkripcinis interferavimas gali būti platesnė strategija tarp vabzdžių, kurių receptorių šeimos yra didelės. Jei tai bus patvirtinta platesniu mastu, reikšmė genų reguliavimui gali būti reikšminga — vietoj to, kad kiekvienam genui būtų kuriami sudėtingi, specifiški reguliaciniai elementai, organizmai gali naudoti kryptingą transkripciją, kad įvestų lokalią tylą ar išskirtinumą.
Biotechnologijoje toks mechanizmas gali būti panaudotas kuriant genetinius variantus ar sintetines grandines, kur reikalinga stipri vietinė slopinančioji veikla aplink pasirinktus lokus. Sintetinė biologija galėtų pasinaudoti readthrough ar antisense strategijomis, kad reguliuotų tankias genų masyvus — pavyzdžiui, kuriant funkciškai izoliuotus genų blokus, kurie nereaguoja į šalutinius signalo šaltinius. Taip pat tai gali turėti implikacijų kuriant biosensorius ar dirbtinius nervų tinklus.
Praktiniai iššūkiai ir galimybės
- Transkripcijos valdymo specifika: suprasti, kaip RNA polimerazė II nusprendžia „skaityti" toliau — ar tai priklauso nuo lokuso konteksto, chromatino modifikacijų, ar nuo specifinių transkripcijos faktorių?
- Branduolio susilaikymo mechanizmai: kokios molekulinės žymės arba ribonukleoproteinų komplekso sudedamosios dalys nulemia, kad readthrough transkriptai lieka branduolyje?
- Sintetinė integracija: kaip patikimai imituoti šį mechanizmą laboratorijoje, kad būtų sukurtos stabilių genų blokų reguliavimo strategijos?
Technologijos, leidusios atrasti mechanizmą
Šio atradimo pagrindą sudaro kelios pažangios technologijos: tikslaus audinio RNA sekvenavimas, RNA FISH su aukšta erdvine rezoliucija ir sudėtingi kompiuteriniai modeliai, kurie apjungia didelius duomenų kiekius ir leidžia identifikuoti transkripcijos srautus per kelis genus. Single-tissue arba single-nucleus RNA sekvenavimo metodai davė galimybę stebėti transkripciją atskirose jutimo ląstelėse, o RNA FISH patvirtino molekulinius signalus vietiškai, leidžiant pamatyti ilgas transkripcijos grandines branduolyje.
Ateities tyrimai greičiausiai plėssi dviem kryptimis: pirma, platesnis mechanizmo patikrinimas kitose vabzdžių grupėse ir galbūt ne tik vabzdžiuose; antra, molekuliniai bandymai, kurie išsiaiškins, kurios baltymų kompleksų sudedamosios dalys ar kokios RNA modifikacijos lemia branduolio retenziją bei antisense transkripcijos efektyvumą. CRISPR pagrįsti įrankiai, pažangūs RNP kompleksų analizės metodai ir aukštos rezoliucijos branduolio imuniniai vaizdavimo metodai bus ypač vertingi.
Ekspertų nuomonės ir mokslinis kontekstas
Neurogenetikai ir molekuliniai biologai įvertino tyrimą kaip svarbų pavyzdį, kaip transkripcija pati gali tapti ne tik informacijos kopijavimo priemone, bet ir architektūriniu elementu, kuris formuoja genomą funkciniu lygmeniu. Kaip pastebėjo kelios nepriklausomos ekspertų komandos, tai rodo, kad transkripcinė dinamika gali būti esminis mechanizmas, užtikrinantis greitą sensorinių genų šeimų evoliuciją be kaštų neuronų identiteto stabilumui.
Tokio tipo tyrimai taip pat plečia mūsų supratimą apie genų šeimų reguliavimą: jie skatina peržiūrėti idėją, kad genų klasteriai privalo turėti unikalius promotorius ar izoliacijos elementus. Vietoje to kryptinga transkripcija gali veikti kaip dinaminis „ribojimo" mechanizmas, kuris yra pakankamai universalus, kad būtų pritaikomas prie skirtingų evoliucinių scenarijų.
Ateities klausimai: ką dar reikia sužinoti?
Nors mechanizmo atradimas yra reikšmingas, lieka daug neatmestų klausimų. Pavyzdžiui: kiek plačiai paplitęs transkripcinis interferavimas tarp kitų vabzdžių ar net ne-vabzdžių organizmų? Ar kiti jutimo ar neurosensoriniai sistemų tipai naudoja analogiškas apsaugos strategijas? Taip pat svarbu išsiaiškinti molekulinius žingsnius, kurie lemia readthrough transkriptų susidarymą ir jų branduolio retenziją — ar čia veikia specifiniai RNP kompleksai, ar tai priklauso nuo to, kaip formuojasi chromatinas aplink receptorių klasterį?
Gilinantis į šiuos klausimus, mokslininkai ne tik išplės fundamentalų supratimą apie olfaktorinį kodavimą ir evoliuciją, bet ir atvers praktines galimybes, kaip panaudoti šiuos principus inžinerijoje, sintetinėje biologijoje ir biomedicinoje. Be to, šis darbas skatina platesnę perspektyvą: transkripcija yra daugiau nei genų aktyvavimo priemonė — tai dinamiška jėga, formuojanti ląstelių ir audinių funkcinę architektūrą.
Skruzdėlių tyrimas parodo, kad net mažiausiose kūrinijose slypi rafinuotos genetinės strategijos, pritaikytos spręsti sudėtingus komunikacijos klausimus. Supratimas apie jas pamažu leidžia mums ne tik atkartoti gamtos sprendimus technologijose, bet ir geriau suvokti, kaip evoliucija kuria stabilumą ir įvairovę vienu metu.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą