Двуцепочечная РНК, передающаяся между поколениями, регулирует экспрессию генов нематоды

Двуцепочечная РНК (дцРНК) открывает перспективы в терапии генетических заболеваний благодаря способности модулировать экспрессию генов. Однако доставка этих дцРНК в клетки остается ключевой проблемой, ограничивающей их потенциал. Ученые из университета Мэриленда исследовали передачу дцРНК в нейронах нематоды C. elegans — как между клетками одного организма, так и между поколениями. Авторы исследования выявили ключевые регуляторы транспортировки дцРНК и наследования эпигенетических изменений — белки-транспортеры SID-1 и RME-2.

Для привнесения дцРНК в клетки C. elegans и оценки эффективности сайленсинга генов авторы работы кормили нематод бактериями, которые экспрессировали дцРНК для сайленсинга зеленого флуоресцентного белка. Нематоды, экспрессирующие GFP, поедали их на разных стадиях своего развития, и сайленсинг отслеживали по изменениям флуоресцентной метки. Эффективность сайленсинга зависела от стадии, на которой дцРНК будет поглощена нематодой — в зародышевой линии он начинался со второй личиночной стадии (L2), но устойчивое подавление генов наблюдалось только после четвертой стадии (L4) и на первом дне взрослой жизни. Это указывает на наличие критического временного окна для обеспечения наследуемого сайленсинга.

Влияние повреждений нейронов на передачу нейрональной дцРНК в зародышевую линию авторы анализировали с помощью оптогенетики. В нейронах экспрессировали белок miniSOG, который под воздействием синего света индуцировал образование активных форм кислорода. Повреждение нейронов в период с 42 по 66 час после стадии L4 усиливало сайленсинг генов в зародышевой линии, происходивший при участии белка SID-1.

Затем исследователи оценивали влияние дцРНК, напрямую вводимой в личинки червей на стадии L4 и взрослых особей. Анализ сайленсинга у потомства показал, что подавление генов происходило вне зависимости от момента введения. Кроме того, авторы обнаружили белок-транспортер RME-2, оказывающий значимый эффект при низких концентрациях дцРНК. Это свидетельствует о различии механизмов транспортировки дцРНК внутрь клеток при разных способах доставки (экзогенная и нейрональная дцРНК).

Ученые дополнительно оценили экспрессию транспортера SID-1 оценивалась при помощи CRISPR-Cas9 — к этому гену добавляли флуоресцентный маркер mCherry. Экспрессия SID-1 обнаруживалась в проксимальных и в дистальных клетках зародышевой линии взрослых особей, а также усиливалась в ходе эмбриогенеза и на ранних стадиях личиночного развития, что подтверждает его ключевую роль в передаче дцРНК.

Наконец, для подтверждения роли SID-1 были созданы мутанты с нокаутом гена sid-1. Секвенирование РНК и ПЦР в реальном времени показали значительное изменение экспрессии ряда генов, среди которых авторы выделили ген sdg-1, обеспечивающий защиту генома от ретротранспозонов. Эти изменения сохранялись более чем на 100 поколений даже после восстановления SID-1, что подтверждает его ключевую роль в поддержании генетической стабильности.

Полученные результаты расширяют понимание механизмов генной регуляции и открывают пути для разработки терапий на основе дцРНК, способных лечить наследственные заболевания. Команда планирует продолжить исследовать механизмы, связанные с транспортом различных типов двуцепочечной РНК, и выяснить, почему одни гены подвергаются наследственной регуляции, а другие — нет.

Нематода передает память о патогенных бактериях потомству