Neue App zeigt 2-D-Struktur von Tausenden von RNA-Molekülen

Neue App zeigt 2-D-Struktur von Tausenden von RNA-Molekülen
Neue App zeigt 2-D-Struktur von Tausenden von RNA-Molekülen
Anonim

"Dafür gibt es eine App." Für einen Kader von Wissenschaftlern wird der vertraute Ausdruck bald bedeuten, dass sie eine spezifische RNA aus Bäckerhefe in ihr iPhone eingeben und eine Darstellung ihrer zweidimensionalen Struktur sehen können – dank einer neuen Technologie, die von Wissenschaftlern der Stanford University entwickelt wurde.

Die Anwendung ist cool, aber es ist nur Augenwischerei für den wirklichen Fortschritt: Zum ersten Mal ist es möglich, experimentell eine globale Momentaufnahme der Konformation von Tausenden von RNA-Molekülen in einer Zelle aufzunehmen.Der Befund ist wichtig, da sich kürzlich gezeigt hat, dass diese schäbige kleine Schwester der DNA viel komplexer ist als bisher angenommen.

"Früher haben wir RNA nur als eine lange, schlaffe Schnur betrachtet, die Anweisungen von der DNA an die Protein-Montagepunkte in der Zelle übermittelt", sagte Howard Chang, außerordentlicher Professor für Dermatologie, MD, PhD. „Aber jetzt lernen wir, dass oft die Struktur des Moleküls – und nicht nur die Abfolge der Nukleotidbuchstaben – seine Funktion bestimmt. Also machten wir uns daran, eine Methode zu entwickeln, die die Struktur der gesamten RNA in einer Zelle kartieren kann.“

Chang, der letztes Jahr als Early Career Scientist des Howard Hughes Medical Institute ausgewählt wurde, und Eran Segal, PhD, vom Weizmann Institute of Science in Israel, sind die Hauptautoren der Studie, die im September veröffentlicht wird 2 in der Natur. Michael Kertesz, PhD, zuvor am Weizmann Institute und derzeit Postdoktorand am Stanford Department of Bioengineering, und der Stanford-Doktorand Yue Wan sind Co-Erstautoren.

Jahrelang war RNA nur für ihre Rolle beim Transport von Informationen in Form von Nukleotidsequenzen von der DNA im Zellkern zu den Proteinfabriken im Zytoplasma bekannt. Jetzt wissen wir, dass RNAs viele Aspekte der Genregulation und Funktion kontrollieren.

Im Vergleich zur DNA - einem relativ unflexiblen Doppelstrang paariger Nukleotide, die sich spiralförmig umeinander winden - ist die RNA ein wahrer Zirkusschlangenmensch. Es kann sich auf sich selbst zurückf alten, um Stamm- und Schleifenstrukturen zu bilden, und diese Strukturen können sich in Pseudoknoten aneinander binden, die sich umdrehen können und … nun, Sie verstehen die Idee. Bisher war die einzige Möglichkeit, herauszufinden, welche Form ein bestimmtes RNA-Molekül bevorzugt, eine mühsame Reihe von Experimenten, die sich nur auf dieses Molekül konzentrierten. Aber die Anstrengung war notwendig, um vollständig zu verstehen, was es in der Zelle tun könnte.

Die Forscher nutzten die jüngste Entwicklung von Deep-Sequencing-Techniken, die es Wissenschaftlern ermöglichen, gleichzeitig Millionen von Nukleotidfragmenten für ihre Analyse zu sequenzieren.Sie behandelten den Pool von mehr als 3.000 proteinkodierenden RNA-Molekülen aus Saccharomyces cerevisiae, auch bekannt als Bäckerhefe, mit strukturspezifischen Enzymen (eins sp altet nur einzelsträngige Nukleotide an bestimmten Sequenzen und während ein anderes nur doppelsträngige, oder gepaarte RNA-Sequenzen). Anschließend sequenzierten sie die Fragmente und setzten die Struktur jedes RNA-Moleküls in einem Prozess zusammen, den sie „parallele Analyse der RNA-Struktur“oder PARS nennen.

"Es ist jetzt möglich, die RNA-Struktur viel schneller und umfassender zu untersuchen", sagte Chang. „Jetzt können wir Muster sehen, die zuvor nicht offensichtlich waren, und beginnen, RNAs eher nach Struktur als nach Sequenz zu kategorisieren.“

Einige der Muster, die sie identifiziert haben, waren überraschend. Die Forscher fanden heraus, dass RNA-Regionen, die spezifische Anweisungen für Proteine ​​kodieren, tendenziell mehr Sekundärstruktur aufweisen als andere Regionen, und dass es möglich ist, den Anfang, die Mitte und das Ende eines RNA-Transkripts einfach durch Analyse seiner Struktur zu identifizieren.Schließlich fanden sie heraus, dass RNA-Moleküle mit ähnlichen Funktionen oft ähnliche Strukturen haben – vielleicht, um sie besser an bestimmte Stellen innerhalb der Zelle zu lenken.

Die Forscher testeten ihre Technik an Bäckerhefe, da es sich um einen gut untersuchten Organismus mit einer relativ begrenzten Anzahl von RNA-Molekülen handelt, die gleichzeitig aktiv sind (etwa 3.000 gegenüber 10.000 beim Menschen). Sie planen jedoch, bald andere Organismen in Angriff zu nehmen und ihre Analyse auf regulatorische RNAs auszudehnen, die keine Anweisungen zum Proteinaufbau enth alten.

"Es gibt noch so viel mehr Informationen zu entdecken", sagte Chang. „Dies ist nur eine Momentaufnahme isolierter RNAs. Aber wir können diese Informationen nutzen, um biologische Erkenntnisse darüber zu gewinnen, wie sich RNA-Strukturen unter verschiedenen Bedingungen ändern können. Es gibt Ebenen der Komplexität, die wir gerade erst zu verstehen beginnen.“

Die Forscher entwickeln auch eine durchsuchbare Website (http://genie.weizmann.ac.il/pubs/PARS10/index.html) mit ihren Daten. Und dann ist da noch diese iPhone-Anwendung. "Jetzt können Sie mit Ihrem Telefon Strukturen nachschlagen und RNA-Sequenzen abrufen", sagte Chang.

Zusätzlich zu den Forschern des Weizmann-Instituts arbeiteten Stanfords Wissenschaftler mit Kollegen des Harvard Broad Institute and Life Technology in Foster City, Kalifornien, zusammen. Die Forschung wurde von den National Institutes of He alth und dem Howard Hughes Medical Institute unterstützt.

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