Генетическое окружение влияет на длину и уровень экспрессии продуктов транскрипции

Кодирующие последовательность ДНК, промоторы и терминаторы рассматриваются в синтетической биологии как модули, которые функционируют одинаково вне зависимости от окружения. Считается, что промоторы и терминаторы могут обеспечить предсказуемый уровень экспрессии необходимого гена и нужную длину РНК-продукта. Вместе с кодирующими последовательностями ДНК, эти регуляторные элементы образуют транскрипционные единицы. По-видимому, у эукариот соседние транскрипционные единицы могут влиять друг на друга, физически воздействуя на транскрипцию генов поблизости. Однако этот эффект трудно изучать системно.

Ученые из Германии и США использовали синтетический геном дрожжей Sc2.0 и систему внесения модификаций в хромосомы SCRaMbLE (synthetic chromosome rearrangement and modification by LoxP-mediated evolution). Этот подход позволяет индуцировать рекомбинацию, вызывая удвоения, делеции, инверсии и транслокации последовательностей, окруженных LoxP-сайтами.

В новой работе исследователи использовали синтетическую хромосому дрожжей, на которой находится 43 последовательности, окруженные LoxP-сайтами. После запуска рекомбинации ученые получили 64 линии дрожжей, которые содержали 156 делецией, 89 инверсий, 94 удвоения и 55 других комплексных перестроек. Всего новый геном содержал 612 новых контактов последовательностей, которые раньше не соприкасались друг с другом. Среди них встречались как тандемные пары генов, гены с альтернативными 3'-нетранслируемыми регионами (3′UTR), так и более сложные комбинации кодирующих последовательностей и регуляторных элементов.

При помощи прямого РНК-секвенирования ученые проанализировали РНК, производимые дрожжами. Прочтения покрывали новые места контактов последовательностей в измененном геноме. Как правило, для каждого продукта транскрипции можно определить место начала транскрипции и место окончания — границы изоформ РНК. Авторы показали, что новые изоформы действительно представляют собой стабильный транскриптом линий дрожжей с измененным геномом.

Ученые заметили, что места начала транскрипции и места окончания транскрипции сильно отличались у тех генов, которые оказались в новом для себя окружении. Несмотря на то, что новое соседство с 3'-конца влияло только на сайты окончания транскрипции, новые контакты с 5'-конца влияли и на начало, и на конец транскрипта, даже если сохранялся изначальный промотор. Интересно, что экспрессия основных генов, которые не окружены сайтами рекомбинации и не меняли свое расположение, тоже подверглась влиянию перестановок: для этих генов изменилось количество изоформ. Это лишний раз подтверждает, что транскрипция у эукариот реагирует на генетический контекст.

Перестановка генов повлияла на уровень их экспрессии (с поправкой на удвоения, вызванные рекомбинацией). Например, ученые выделили 18 случаев, когда гены неожиданно повысили свою экспрессию в несколько раз, и 141 случай, когда экспрессия была полностью утеряна.

Изменения в сайтах окончания транскрипции очень распространены у линий дрожжей, которые прошли рекомбинацию. Поскольку SCRaMbLE часто заставляет кодирующие последовательности терять свои нативные 3′UTR, то исследователи предположили, что изменения в окончании транскрипции вызвано потерей или, наоборот, приобретением сигнала полиаденилирования в этой области. Однако ни 3′UTR, ни кодирующие последовательности не определяли, где окончится транскрипция.

Авторы работы проанализировали влияние генетического контекста на гены. Они научиться предсказывать это влияние при помощи машинного обучения. Интересно, что изменения в границах изоформ были вызваны только новым окружением последовательностей. Исследователи показали, что транскрипцию целевых генов можно настроить, изменяя их соседство.

Наконец, ученые определили, как можно настроить длину 3′UTR. Оказалось, что чем больше расстояние до следующего гена, тем длиннее становится 3′UTR, увеличиваясь примерно на 25 нуклеотидов на каждые сто нуклеотидов расстояния до следующего гена. Кроме того, длина этой области зависит от уровня экспрессии следующего гена: чем меньше он экспрессировался, тем длиннее становился 3′UTR. Эти наблюдения подтвердили экспериментально.

Авторы работы показали, что транскрипция соседних генов физически влияет друг на друга: например, на длину 3′UTR. Таким образом, большинство последовательностей ДНК дрожжей нельзя использовать просто как модульные элементы. Исследователи отмечают, что данные о взаимодействии соседних транскрипционных единиц в будущем можно использовать для более рационального построения синтетических геномов.