幾年前，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種稱為長非編碼RNA的新型遺傳物質(zhì)。這種RNA不編碼蛋白質(zhì)，并且一旦被認(rèn)為是“垃圾DNA”，就從基因組的部分復(fù)制而來。從那時(shí)起，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了長期非編碼RNA或lncRNA在許多細(xì)胞過程中發(fā)揮作用的證據(jù)，包括在胚胎發(fā)育過程中引導(dǎo)細(xì)胞命運(yùn)。然而，尚不清楚lncRNA究竟是如何發(fā)揮這種影響的。

受歷史工作的啟發(fā)，顯示結(jié)構(gòu)在其他類RNA(如轉(zhuǎn)移RNA)的功能中發(fā)揮作用，麻省理工學(xué)院的生物學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)破譯了一種lncRNA的結(jié)構(gòu)，并利用這些信息來弄清楚它是如何與細(xì)胞蛋白質(zhì)相互作用的?？刂菩募〖?xì)胞的發(fā)育。這是將lncRNA的結(jié)構(gòu)與其功能聯(lián)系起來的首批研究之一。

“新興數(shù)據(jù)指出了許多這些分子在發(fā)育和疾病中的基本作用，因此我們認(rèn)為確定lncRNA的結(jié)構(gòu)對(duì)于了解它們的功能至關(guān)重要，”Irwin和Helen Sizer職業(yè)發(fā)展生物學(xué)副教授Laurie Boyer說。麻省理工學(xué)院的生物工程學(xué)和該研究的高級(jí)作者，該研究出現(xiàn)在9月8日的分子細(xì)胞雜志上。

更多地了解lncRNA如何控制細(xì)胞分化可以為心臟受到心血管疾病，衰老或癌癥損害的患者提供一種新方法來開發(fā)藥物。

該論文的第一作者是麻省理工學(xué)院博士后薛志紅。其他麻省理工學(xué)院的作者是本科生Boryana Doyle和Sarnoff Fellow Arune Gulati。洛杉磯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Scott Hennelly，Irina Novikova和Karissa Sanbonmatsu也是該論文的作者。

探索心臟

Boyer的實(shí)驗(yàn)室之前發(fā)現(xiàn)了一種名為Braveheart的小鼠lncRNA，與其他組織相比，它在心臟中的含量更高。2013年，Boyer表明這種RNA分子是心肌細(xì)胞正常發(fā)育所必需的。

在這項(xiàng)新研究中，研究人員決定研究600個(gè)核苷酸的RNA分子的哪些區(qū)域?qū)ζ涔δ苤陵P(guān)重要。“我們知道Braveheart對(duì)于心肌細(xì)胞發(fā)育至關(guān)重要，但我們并不知道這種lncRNA如何運(yùn)作的詳細(xì)分子機(jī)制，所以我們假設(shè)確定其結(jié)構(gòu)可以揭示新的線索，”薛說。

為了確定Braveheart的結(jié)構(gòu)，研究人員使用了一種稱為化學(xué)探測的技術(shù)，在該技術(shù)中，他們使用化學(xué)試劑處理RNA分子，該化學(xué)試劑可以修飾暴露的RNA核苷酸。通過分析哪種核苷酸與該試劑結(jié)合，研究人員可以識(shí)別單鏈區(qū)域，雙鏈螺旋，環(huán)和其他結(jié)構(gòu)。

該分析顯示，Braveheart有幾個(gè)不同的結(jié)構(gòu)區(qū)域或圖案。然后研究人員測試了這些基序中哪一個(gè)對(duì)分子的功能最為重要。令他們驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)去除11個(gè)核苷酸，構(gòu)成一個(gè)僅占整個(gè)分子2%的環(huán)，阻止了正常的心臟細(xì)胞發(fā)育。

然后研究人員搜索了Braveheart環(huán)可能與之相互作用的蛋白質(zhì)，以控制心臟細(xì)胞的發(fā)育。在大約10,000種蛋白質(zhì)的篩選中，他們發(fā)現(xiàn)稱為細(xì)胞核酸結(jié)合蛋白(CNBP)的轉(zhuǎn)錄因子蛋白與該區(qū)域強(qiáng)烈結(jié)合。以前的研究表明，CNBP突變可導(dǎo)致小鼠和人類的心臟缺陷。

進(jìn)一步的研究表明，CNBP是心臟發(fā)育的潛在障礙，Braveheart釋放這種阻遏物，使細(xì)胞成為心肌。

建立指紋

科學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)小鼠Braveheart lncRNA的人類對(duì)應(yīng)物，部分原因是人類和小鼠lncRNA序列的保守性很差，盡管兩種物種的蛋白質(zhì)編碼基因通常非常相似。然而，現(xiàn)在研究人員知道了小鼠Braveheart lncRNA的結(jié)構(gòu)，他們計(jì)劃分析人類lncRNA分子以識(shí)別相似的結(jié)構(gòu)，這表明它們具有相似的功能。

“我們正在采用這一主題，我們正在使用它來構(gòu)建指紋，因此我們可以找到類似于跨物種的lncRNA的圖案，”Boyer說。“我們也希望擴(kuò)展這項(xiàng)工作，以確定基序目錄的作用模式，以便我們能夠更好地預(yù)測具有重要功能的lncRNAs。”

研究人員還計(jì)劃將他們所學(xué)的lncRNA應(yīng)用于工程新療法。“我們完全期望解開lncRNA結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系將在不久的將來開辟令人興奮的新治療方式，”Boyer說。