Afkodning af kodende og ikke-kodende gener

Publiceret April 2012

Moderne metoder har afsløret, at vore gener reguleres langt mere komplekst end vi førhen troede. Faktisk er selve definitionen af et gen i gang med at blive omskrevet. Ved Center for mRNP Biogenese og Metabolisme (se faktaboks) undersøges de basale mekanismer bag genaktivitet og den overraskende udbredte aktivitet udenfor gener.

Den klassiske idé om gener er, at de er små øer af information i et stort hav af DNA, der mest bare er fyld. Dette fyld-DNA kaldte man tidligere for ”junk-DNA”, som hentydede til formodningen om, at det ikke blev transskriberet til RNA, og derfor ikke havde nogen videre funktion. Den klassiske ”protein-kodende” del af gener udgør kun ca. 2 % af al DNA, hvilket jo så efterlader hele 98 % til ”junk”. Protein-kodende gener starter med en promoter, hvorfra transskriptionen af messenger-RNA (mRNA) starter og slutter ved en position, hvor mRNAet kløves, hvorefter transskriptionen termineres (se figur 1A). Under og efter transskription kan der ske splejsning, hvor segmenter af det dannede RNA (introns) fjernes fra pre-mRNAet og det tilbageværende RNA (exons) sættes sammen til at danne det færdige mRNA, der så fungerer i syntesen af protein.

2012-2 Genaktivitet

Figur 1: Udbredt genaktivitet udenfor generne. Den klassiske genmodel (A) beskriver hvordan protein-kodende gener transskriberes til pre-mRNA. Dettes introns klippes ud og exons sættes sammen til det færdige mRNA i en proces kaldet splejsning, og det modne mRNA anvendes så af ribosomerne som skabeloner i proteinsyntesen. Dette simple billede af genaktivitet er på det seneste kompliceret af opdagelser af mange nye klasser RNA, der ikke koder for protein (B). Blandt disse er: i) PROMPTs, som dannes oppe foran promotorer for klassiske gener for hurtigt at blive nedbrudt igen af RNA exosomet, ii) antisense RNA, som transskriberes fra den modsatte streng (antisense) af protein-kodende gener og iii) lincRNA, som udgør selvstændige ikke-kodende gener, der udøver deres funktioner direkte gennem det transskriberede RNA i stedet for gennem kodning for et protein..

Ideen om ”junk-DNA” er de seneste år blevet gjort grundigt til skamme, idet studier ganske overraskende har vist, at der er transskription af DNA til RNA fra det meste af vores genom. Denne promiskuøse transskriptionsaktivitet har nu i flere tilfælde veldokumenterede biologiske funktioner, og løbende findes der nye og overraskende roller for dette ”ikke protein-kodende” RNA, der således kommer fra alt andet en ”junk DNA”. Center for mRNP Biogenese og Metabolisme har bidraget væsentligt til denne nye forståelse af eukaryote genomers aktivitet – både med hensyn til karakterisering af de klassiske protein-kodende og de nyligt opdagede ikke-kodende gener.

Man ved nu, at ikke-kodende RNA gener bliver transskriberet både uafhængigt af protein-kodende gener og i sammenhæng med disse (se faktaboks). Blandt de uafhængige ikke-kodende RNAer findes velkarakteriserede klasser som microRNA, tRNA, snoRNA og snRNA som alle spiller roller i reguleringen og udtrykket af protein-kodende gener. Andre, mere nyligt opdagede uafhængige ikke-kodende RNAer, så som lincRNAer (Long Intergenic Non-Coding RNAs), PROMPTs (se næste afsnit) og antisense RNAer er derimod langt mindre udforskede. Da de som regel ikke findes tilstede i cellen i nær så mange kopier som f.eks. snRNA og tRNA, er kendskabet til dem først for nyligt blevet udbredt. Derudover er de heller ikke ret konserverede, hvilket har stillet spørgsmålstegn ved deres funktionelle betydning. Trods dette har flere studier nu etableret vigtige effekter for specifikke lincRNAer i cancer udvikling [1] og i stamcelledifferentiering [2]. Disse studier har altså vist, at ikke nok med at ”junk DNAet” bliver transskriberet – de transskriberede RNA-molekyler kan også mediere centrale cellulære processer.

I molekylærbiologien har der traditionelt været fokus på biogenese (dannelse) af cellens molekyler, mens deres nedbrydning har stået i skyggen. Da mængden af ethvert molekyle i en celle er en funktion af både produktions- og nedbrydnings-raten, er det indlysende, at man ved at studere cellens nedbrydnings-mekanismer også kan afsløre vigtig information om cellens biologi. Netop denne strategi har været central ved Center for mRNP Biogenese og Metabolisme. Da vi er interesserede i RNA, har vi især studeret forhold omkring et af cellens vigtigste proteinkomplekser i omsætning af RNA, det såkaldte RNA exosom (figur 1B). Dette kompleks, der er dybt konserveret fra gær til mennesker, kan både nedbryde RNA fra enden (3’-5’ exonukleolyse) og kløve i midten af et RNA molekyle (endonukleolyse). Centeret har både arbejdet med at karakterisere struktur og funktion af selve RNA exosomet og dets samarbejdspartnere i cellen [3-5] samt udnyttet, at vi kan blokere for exosomets funktion og derved identificere de RNA molekyler, det normalt nedbryder. Denne strategi har bl.a. været brugt til at vise, at der dannes lange ikke-kodende RNA i tæt forbindelse med protein-kodende gener i både gær og humane celler [6-8]. I gær har vi kaldt disse molekyler for ’Cryptic Unstable Transcripts (CUTs)’, mens de i humane celler er døbt ’PROMoter uPstream Transcripts (PROMPTs)’.

De forskellige typer RNA i cellen

Kategori

Klasse

Funktion

Kodende

 

messenger RNA (mRNA)

Skabelon for proteinsyntese

Ikke-kodende

 

Klassiske

microRNA (miRNA)

Regulerer proteinsyntesen gennem binding til mRNA

transfer RNA (tRNA)

Gør aminosyrer tilgængelige for ribosomerne i proteinsyntesen

small nucleolar RNA (snoRNA)

Guider modning af rRNA og snRNA

small nuclear RNA (snRNA)

Faciliterer splejsning af pre-mRNA

ribosomal RNA (rRNA)

Del af ribosomerne, der udfører proteinsyntesen

Nyere

long intergenic non-coding RNA (lincRNA)

Regulering af gener gennem forskellige mekanismer (de fleste har ukendt funktion)

PROMoter uPstream Transcripts (PROMPTs)

Ukendt – mulig funktion i regulering af genpromotorer.

antisense RNA (asRNA)

Ukendt – mulige funktioner i regulering af splicing og transkription.

Siden deres opdagelse er vi nået langt i karakteriseringen af både CUTs og PROMPTs, men spændende studier venter stadig. Vi ved allerede nu, at de på mange måder ligner mRNA fra de protein-kodende gener de associerer sig med, f.eks. har de beskyttende 5’-cap-strukturer. Derimod adskiller de sig fra mRNA ved, at de generelt er kortere og som sagt langt mere ustabile. Dette virker både provokerende og ulogisk - hvorfor har evolutionen bevaret noget fra gær til menneske, der produceres blot for straks at blive fjernet igen? Dette spørgsmål efterforskes ihærdigt, og et muligt svar er at det ikke er RNA-molekylet selv, men transskriptionsprocessen der frembringer det, som spiller en vigtig rolle. Dette kunne for eksempel være i reguleringen af DNAets tilstand omkring promotoren af det protein-kodende gen.

Ved Center for mRNP Biogenese og Metabolisme undersøger vi også de molekylære processer, der berører et mRNA fra dets transskription til det modnes og klargøres til protein-syntese. Fra starten af transskriptionen pakkes mRNAet med proteinkomplekser, der fungerer i modning og cellulær transport af mRNAet. Det protein-bundne mRNA kaldes samlet for en mRNP (messenger RiboNucleoProtein), og det er disse partikler, der tjener som skabeloner for produktionen af alle proteiner i cellen. Dermed indtager dannelsen og nedbrydningen af mRNP en helt central rolle i cellens biologi. Vi har i centret både karakteriseret vigtige dele af mRNPen, såsom strukturen af det såkaldte ’exon junction complex’ (EJC) [9] og undersøgt de dynamiske sammenhænge, der bidrager til modning og nedbrydning af mRNP. Dannelsen af mRNP sker ofte sideløbende med transskriptionen (co-transskriptionelt), og der er derfor et udbredt samspil mellem transskriptionsprocessens forløb og mRNPens struktur og komposition. For at opnå en dybere forståelse af disse sammenhænge, har vi også undersøgt om mRNP modning kan påvirke selve transskriptionen, og via dette arbejde fundet, at terminering af transskription i menneskeceller højst overraskende påvirker transskriptionsinitiering [10]. Denne ’omvendte’ kobling fra afslutning til påbegyndelse af transskription tilføjer således et nyt lag af regulering af menneskets gener. Hidtidige analyser har fokuseret på protein-kodende gener, og det skal nu blive spændende at se, om ikke-kodende gener betjener sig af en lignende regulering.

Opdagelsen og karakteriseringen af de mange nye ikke-kodende RNA-molekyler har gjort, at tiden nu er moden til målrettet at undersøge deres potentielle funktioner. Dette vil vi i centeret gøre ved at belyse deres mulige relevans i komplekse biologiske processer, så som stamcelle-differentiering og oncogenese. Derudover venter opdagelse af mange nye faktorer, der udgør de molekylære forudsætninger for det net af samspil, vi har bidraget til at kortlægge for dannelse og modning af mRNP.

  1. Huarte, M., et al., A large intergenic noncoding RNA induced by p53 mediates global gene repression in the p53 response. Cell. 142(3): p. 409-19.
  2. Guttman, M., et al., lincRNAs act in the circuitry controlling pluripotency and differentiation. Nature. 477(7364): p. 295-300.
  3. Lubas, M., et al., Interaction profiling identifies the human nuclear exosome targeting complex. Mol Cell. 43(4): p. 624-37.
  4. Midtgaard, S.F., et al., Structure of the nuclear exosome component Rrp6p reveals an interplay between the active site and the HRDC domain. Proc Natl Acad Sci U S A, 2006. 103(32): p. 11898-903.
  5. Tomecki, R., et al., The human core exosome interacts with differentially localized processive RNases: hDIS3 and hDIS3L. Embo J. 29(14): p. 2342-57.
  6. Preker, P., et al., RNA exosome depletion reveals transcription upstream of active human promoters. Science, 2008. 322(5909): p. 1851-4.
  7. Thiebaut, M., et al., Transcription termination and nuclear degradation of cryptic unstable transcripts: a role for the nrd1-nab3 pathway in genome surveillance. Mol Cell, 2006. 23(6): p. 853-64.
  8. Wyers, F., et al., Cryptic pol II transcripts are degraded by a nuclear quality control pathway involving a new poly(A) polymerase. Cell, 2005. 121(5): p. 725-37.
  9. Andersen, C.B., et al., Structure of the exon junction core complex with a trapped DEAD-box ATPase bound to RNA. Science, 2006. 313(5795): p. 1968-72.
  10. Mapendano, C.K., et al., Crosstalk between mRNA 3’ end processing and transcription initiation. Mol Cell. 40(3): p. 410-22.

Center for mRNP Biogenese og Metabolisme

Center for mRNP Biogenese og Metabolisme består af tre forskningsgrupper fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universet, Danmark samt en fra CNRS, Gif sur Yvette, Paris, Frankrig. Centerets forskning er fokuseret på strukturelle og funktionelle aspekter bag dannelse og nedbrydning af RNA i både menneske- og gærceller. Mens videnskaben traditionelt har undersøgt dannelsesprocesser (biogenese), har forskning ved Center for mRNP Biogenese og Metabolisme vist, at tilpas fokus på dannelsens modpart, nedbrydning, med succes kan hjælpe med til at forklare nye og uventede aspekter af geners biologi (se hovedtekst). Ved samling af fire forskningsgrupper med komplementære ekspertiser, har centeret, på tværs af teknologiplatforme og modelorganismer, været i stand til at opnå ny grænseoverskridende forståelse af hvordan vore gener (kodende og ikke-kodende) udtrykkes og reguleres.

Centret i tal

  • Grundlæggelse: 2005
  • Forskningsgrupper: 4 (Ditlev Brodersen, Gregers Rom Andersen, Domenico Libri og Torben Heick Jensen)
  • Antal personer: Ca. 40
2012-2 Center for mRNP Biogenese