Интроны тРНК управляют экспрессией генов по механизму, похожему на РНК-интерференцию

Как известно, основная функция транспортных РНК (тРНК) заключается в перемещении аминокислот к рибосомам в процессе биосинтеза белка. У всех организмов — от архей до человека — гены тРНК содержат интрон, который удаляется из пре-тРНК в ходе образования зрелых функциональных тРНК. Иными словами, вырезанный интрон оказывается побочным продуктом процессинга тРНК. Однако тот факт, что последовательности интронов тРНК сохранились в эволюции, указывает на какие-то важные клеточные функции этих «мусорных» фрагментов, о которых нам пока ничего не известно.

Ученые из США в исследовании, опубликованном в Molecular Cell, продемонстрировали, что свободные интроны тРНК пекарских дрожжей Saccharomyces cerevisiae служат малыми регуляторными РНК, снижая уровень мРНК за счет почти идеальной комплементарности к их кодирующим областям.

Авторы начали работу с поиска в геноме S. сerevisiae таких мРНК, которые бы имели длинные участки, комплементарные интронам тРНК. В общей сложности было найдено 137 мРНК, имеющих комплементарность к 26 уникальным последовательностям интронов тРНК. Среди них степень комплементарности интронов тРНК изолейцина (Ile) и триптофана (Trp) оказалась исключительной и превосходила возможные случайные соответствия рандомно сгенерированных последовательностей той же длины. Поэтому для дальнейшего исследования биологической роли авторы выбрали именно тРНК Ile и Trp и их интроны.

Ученые создали штамм дрожжей с делецией интрона в тРНК^Ile. У таких дрожжей возрос уровень экспрессии генов, содержащих комплементарные интрону тРНК^Ile последовательности — как на уровне мРНК, так и на уровне белка. Индуцированная оверэкспрессия интрона тРНК^Ile, напротив, вызвала снижение уровня мРНК с комплементарными этому интрону последовательностями.

Далее ученые исследовали штаммы дрожжей с делециями или мутациями генов, которые приводят к накоплению свободных интронов тРНК и/или содержащих интрон предшественников тРНК без заметных изменений в структуре самих зрелых тРНК. Уровни мРНК генов с последовательностями, комплементарными к интронам тРНК^Ile и тРНК^Trp, снижались. Так авторы доказали, что интроны тРНК, которые образуются как побочный продукт во время их созревания, не являются «мусором», а напрямую регулируют уровни мРНК различных генов аналогично известным малым интерферирующим РНК и микроРНК.

Впрочем, отмечают авторы, механизм регуляции экспрессии через интроны тРНК имеет свои особенности. МикроРНК подавляют экспрессию мишеней при участии рибонуклеазы Dicer и белков семейства Argonaute, «но поскольку у этого вида дрожжей нет белков Argonaute, в их клетках происходит что-то другое, а мРНК все-таки разрушается. Таким образом, это похожий механизм, но детали происходящего отличаются», — уточнила доктор Реджина Нострамо, первый автор статьи. Кроме того, в отличие от микроРНК, свободные интроны связываются с кодирующими участками своих мишеней.

Несмотря на то, что интроны тРНК обычно быстро деградируют, свободные интроны тРНК^Trp, как оказалось, избирательно накапливаются у S. сerevisiae после окислительного стресса, вызванного обработкой перекисью водорода, — их уровень повышался более чем в 15 раз. При этом уровень их мРНК-мишеней, соотвественно, снижается. Согласно этим данным, свободные интроны тРНК^Trp регулируют активность генов, отвечающих реакцию на окислительный стресс.

Исследование доказало, что свободные интроны тРНК взаимодействуют с мРНК подобно представителям малых некодирующих РНК, и открыло новую, ранее не известную форму регуляции генов.

Фермент биосинтеза гема ALAS1 имеет еще одну функцию — препятствует накоплению микроРНК