Разнообразие белков в клетке определяется не только количеством генов. Сначала на основе гена синтезируется молекула-предшественник РНК. Затем клетка вырезает из нее одни участки и соединяет другие — этот процесс называется сплайсингом. Комбинируя разные кодирующие участки одного гена — экзоны, клетка может получать несколько вариантов зрелой матричной РНК (мРНК), а затем синтезировать на их основе разные белки.
Однако существует еще один источник разнообразия белков. Клетка может соединять фрагменты РНК, образованные не одним, а разными генами. Такой процесс называется транссплайсингом, а полученные молекулы — химерными РНК (хРНК). У некоторых одноклеточных организмов и беспозвоночных этот механизм хорошо известен и позволяет создавать дополнительные варианты РНК и белков. У здоровых млекопитающих примеров транссплайсинга значительно меньше.
Химерные РНК хорошо изучены при опухолевых заболеваниях. В этих случаях они возникают из-за перестроек генома, когда участки разных генов соединяются на уровне ДНК. Однако хРНК наблюдались и в здоровых тканях. Поэтому оставалось неясным, могут ли здоровые клетки млекопитающих объединять РНК разных генов и синтезировать на их основе функциональные белки.
Ученые Гарвардской медицинской школы обнаружили в макрофагах мышей молекулу мРНК Gsdmd-Tmem106a. Она объединяет последовательности двух разных генов и служит основой для синтеза химерного белка GSDMD-TMEM106A.
Белок GSDMD-TMEM106A участвует в воспалительном ответе. При активации иммунной системы он ускоряет и усиливает образование пор в клеточной мембране. Через эти поры клетка выделяет IL-1β — сигнальный белок, который поддерживает воспаление.
У мышей Gsdmd-Tmem106a была обнаружена в макрофагах легких после инфекции гриппом А, макрофагах мозга при менингите, вызванном Escherichia coli, и перитонеальных макрофагах после введения LPS. Воспаление меняло пространственную организацию генома, сближая определенные гены и способствуя избирательному соединению РНК, синтезированных на основе этих генов, с образованием химерных РНК в макрофагах.
GSDMD-TMEM106A регулирует воспаление и антибактериальную защиту
Количество химерной мРНК Gsdmd-Tmem106a увеличивалось при подготовке макрофагов к активации инфламмасомы — белкового комплекса, который запускает воспалительный ответ. Синтезированный на основе этой хРНК белок GSDMD-TMEM106A накапливался на плазматической мембране. После активации инфламмасомы GSDMD-TMEM106A взаимодействовал с активной формой белка GSDMD и ускорял образование пор в клеточной мембране. В результате клетки выделяли больше провоспалительного цитокина IL-1β.
Эксперименты на мышах показали, что этот механизм влияет как на защиту от бактерий, так и на тяжесть воспаления:
- Отсутствие GSDMD-TMEM106A снижало летальность при сепсисе, но одновременно ослабляло антибактериальную защиту. Отсутствие этого белка снижало выделение провоспалительных цитокинов IL-1β и IL-18 и ослабляло воспалительную гибель клеток, ухудшало защиту мышей от Salmonella Typhimurium: в печени и селезенке накапливалось больше бактерий. Однако при сепсисе мыши выживали значительно чаще.
- Чрезмерная экспрессия GSDMD-TMEM106A давала противоположный эффект: усиливала защиту от бактерий, но повышала летальность при сепсисе.
Химерные РНК оказались характерны не только для мышей. В макрофагах человека ученые выявили более 900 хРНК, причем некоторые также зависели от воспалительной активации. Для 33 хРНК родительские гены совпадали у мышей и человека, а часть кодированных белков сохраняла сходное строение у обоих видов.
Вывод
Химерные РНК могут служить дополнительным механизмом расширения разнообразия белков и потенциальными мишенями для разработки новых терапевтических подходов. Образование и активность хРНК можно изменять с помощью генетического редактирования и доставки мРНК.
Источник
Functional chimeric mRNAs encode proteins in mammalian immunity
