Duizenden genen beïnvloed door RNA-modificatie

Een nieuwe ontdekking door onderzoekers van Weill Cornell Medical College gepubliceerd in de 17e editie van het tijdschrift Cel herschrijft opnieuw wetenschappelijke leerboeken. Slechts 10 jaar geleden moesten epigenetische onderzoekers afstand doen van het lang bestaande geloof dat DNA uit slechts vier basen bestaat, toen ze ontdekten dat chemisch gemodificeerde basen in feite overvloedige componenten van het menselijk genoom zijn.
De nieuwe ontdekking, gerelateerd aan RNA, is vergelijkbaar met DNA bij het dragen van genetische informatie en hun wijze van expressie, maar onderzoekers hebben nu een nieuwe basismodificatie in RNA geïdentificeerd die een revolutie teweeg zal brengen in ons begrip van genexpressie.
Lange tijd werd aangenomen dat boodschapper-RNA (mRNA) eenvoudige blauwdrukken waren voor eiwitproductie die vaak chemisch werden veranderd door een methylgroep aan zijn adeninebase toe te voegen. De onderzoekers ontdekten dat, in tegenstelling tot hun overtuiging, mRNA slechts vier nucleobasen bevat; het bevat eigenlijk een vijfde basis, namelijk de N6-methyladenosine (m6A) die het transcriptoom doordringt. Ze ontdekten dat tot 20% van menselijk mRNA routinematig gemethyleerd is, wat betekent dat met meer dan 5.000 verschillende mRNA-moleculen die m6A bevatten, deze modificatie waarschijnlijk een wijdverspreide invloed heeft op genexpressie.
Senior onderzoeker dr. Samie R. Jaffrey, universitair hoofddocent farmacologie aan de Weill Cornell Medical College, verklaart:

"Deze bevinding herschrijft fundamentele concepten van de samenstelling van mRNA omdat, gedurende 50 jaar, niemand dacht dat mRNA interne modificaties bevatte die de functie controleren.We weten dat DNA en eiwitten routinematig worden gemodificeerd door chemische schakelaars die een diepgaand effect hebben op hun functie in zowel de gezondheid en biologie, maar biologen geloofden dat mRNA gewoon een tussenproduct was tussen DNA en eiwit.Nu weten we dat mRNA veel complexer is en dat defecten in RNA-methylering tot ziekte kunnen leiden. '

Een deel van hun onderzoek toonde aan dat het overgewicht-risico-FTO, bekend als vetmassa en obesitas-geassocieerd eiwit, codeert voor een enzym dat in staat is om deze modificatie om te keren door m6A-resten in mRNA terug in reguliere adenosine om te zetten. De onderzoekers onthulden de link dat obesitas geassocieerd is met overactieve FTO-enzymen bij mensen met FTO-mutaties. De overactieve FTO resulteert in lage niveaus van m6A, wat leidt tot afwijkingen in voedselinname en metabolisme die uiteindelijk obesitas veroorzaken. Daarnaast ontdekte het team ook verbanden tussen m6A en andere ziekten.
Dr. Kate Meyer, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Dr. Jaffrey die de studie leidde, zegt:

"We hebben gevonden dat m6A aanwezig is in veel mRNA's gecodeerd door genen die zijn gekoppeld aan menselijke ziekten, waaronder kanker, evenals verschillende hersenaandoeningen, zoals autisme, de ziekte van Alzheimer en schizofrenie. Methylering in RNA is een reversibele wijziging die een centrale rol lijkt te spelen stap in een breed scala van biologische pathways en fysiologische processen. "

Volgens Dr. Jaffrey werd m6A voor het eerst in mRNA gedetecteerd in 1975, maar toch waren wetenschappers er onzeker over of deze bevinding te wijten was aan besmetting door andere RNA-moleculen. Meer dan 90% van de RNA's zijn cellulaire 'werkpaarden' die vaak worden gemodificeerd en bestaan ??uit transfer-RNA (tRNA) of ribosomaal RNA (rRNA). Dr. Jaffrey stelde de hypothese dat mRNA zou kunnen worden gemodificeerd, gebaseerd op het feit dat DNA, eiwitten en andere vormen van RNA worden gemodificeerd. Samen met zijn team ontwikkelde hij een techniek om methylatie te helpen onthullen in mRNA verkregen uit muismonsters en uit menselijke monsters.
Voor het isoleren van de mRNA's die m6A bevatten, heeft het team twee verschillende antilichamen gebruikt die in staat zijn om de mRNA's m6A te identificeren en eraan te binden. Ze waren in staat om de sequentie van elk afzonderlijk mRNA dat ze hadden geïsoleerd te identificeren door ze te onderwerpen aan de sequentiëring van de volgende generatie, en Dr. Christopher Mason en Dr. Olivier Elemento ontwikkelden vervolgens een computationeel algoritme dat de identiteit van elk van deze gemethyleerde mRNA's onthulde.
Hoewel het team geen kennis heeft van de dynamiek van de duizenden m6As bij mensen in termen van hoe ze de mRNA's-functie reguleren, hebben ze waargenomen dat de locatie van de m6A's in de buurt van 'stopcodons' zijn in mRNA-sequenties, wat gebieden zijn die signaleren het einde van de translatie van het mRNA, wat aangeeft dat m6A een rol kan spelen bij de ribosomale functie.
Mede-auteur van de studie, Dr Christopher Mason, assistent-professor van de afdeling Physiology and Biophysics and Computational Genomics van het Weill College in Computational Biomedicine, zegt:

"Maar we weten het echt nog niet, het kan andere eiwitten toestaan ??om te binden aan mRNA, of deze mRNA's onderwerpen aan een geheel nieuwe regulatorische route.Onze bioinformatica-analyses geven verschillende hints over de mogelijke impact van methylatie op de RNA-functie."

De onderzoekers hebben al vastgesteld dat m6A-plaatsen vaak voorkomen in mRNA-regio's, die in hoge mate geconserveerd zijn over verschillende soorten gewervelde dieren.
Dr. Mason legt uit:

"Dit toont aan dat m6A-sites niet alleen belangrijk zijn voor de mens, maar dat ze in de loop van honderden miljoenen jaren van evolutie behouden blijven en dus waarschijnlijk van cruciaal belang zijn voor alle dieren." Dit is de eerste demonstratie van een epitranscriptomische wijziging - veranderingen in de RNA-functie die niet te wijten zijn aan veranderingen in de onderliggende sequentie. "

Dr. Jaffrey voegt toe:

"Deze bevindingen zijn heel, heel opwindend en verbazingwekkend, eigenlijk, als je bedenkt dat mRNA al zo lang bestaat en dat niemand zich realiseerde, in al die tijd, dat ze op deze manier werden gereguleerd. Het lag precies onder onze neus ."

De onderzoekers onderzoeken momenteel de dynamiek van het m6As-controlemechanisme van mRNA's in cellen, en concentreren hun inspanningen op het identificeren van de enzymen en routes die mRNA-methylatie reguleren.Ze hebben al bewijs geleverd dat FTO het vermogen heeft om adenosine methylatie om te keren, wat aangeeft dat het een groot percentage van cellulair mRNA beïnvloedt.
Dr. Meyer opmerkingen:

"FTO-mutaties komen naar schatting bij 1 miljard mensen wereldwijd voor en zijn een belangrijke oorzaak van obesitas en diabetes type 2. Onze studies koppelen m6A-niveaus in mRNA aan deze ernstige gezondheidsproblemen en identificeren voor de eerste keer de mRNA's waarop FTO mogelijkerwijs is gericht ."

Op dit moment richten de onderzoekers zich op het verkrijgen van een beter inzicht in de oorzaken van obesitas en metabole aandoeningen door de impact van defecte m6A-regulatie bij patiënten met FTO-mutaties te bestuderen. Ze zijn momenteel ook bezig met het ontwikkelen van tests waarmee wetenschappers snel de verbindingen kunnen detecteren die overactieve FTO-activiteit bij mensen blokkeren, wat zou kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor obese personen en mensen met diabetes.
Geschreven door Petra Rattue