Khi nói đến việc kiểm soát lượng protein được tạo ra dựa trên mã của gen, các tế bào có nhiều công cụ khác nhau để sử dụng: gắn các dấu biểu sinh vào một gen có thể khiến nó ít được sao chép vào mRNA hơn, hoặc các tế bào có thể tạo ra nhiều hoặc ít hơn các yếu tố phiên mã giúp quá trình bắt đầu. Giờ đây, một bài báo được xuất bản vào ngày 17 tháng 1 trên Tạp chí Cell Systems sử dụng một phương pháp mới để bắt kịp cơ chế kiểm soát ít được nghiên cứu hơn: những thay đổi nhỏ trong vùng bắt đầu của mRNA ảnh hưởng đến mức độ hiệu quả của bản sao chép thu hút ribosome, và do đó lượng protein được tạo ra .
“Nghiên cứu này sử dụng một cách khéo léo để có thể theo dõi sự liên kết của ribosome.” Maria Barna, một nhà di truyền học tại Đại học Stanford, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với The Scientist. Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu “đã xác định được một loạt các yếu tố điều hòa Cis tiềm năng, giúp đa dạng hóa sự biểu hiện gen rất sâu sắc, một số gấp hơn 1.000 lần. Điều này khá thú vị và bất ngờ. ”
Các nghiên cứu trước đây đã xác định rằng hoạt động dịch mã có thể khác nhau giữa các mRNA và những thay đổi trong vùng bắt đầu của các bản sao này, được gọi là vùng chưa được dịch mã 5 nguyên tố (5’UTR). Vùng chưa được dịch mã 5 ′ (còn được gọi là UTR 5 ′, trình tự thủ lĩnh, trình tự phiên mã, hoặc RNA thủ lĩnh) là vùng của RNA thông tin (mRNA) nằm ngược dòng trực tiếp từ codon khởi đầu là một phần cụ thể của RNA thông tin (mRNA) và DNA mã hóa cho nó, có thể liên quan đến các bệnh. Wendy Gilbert, một nhà hóa sinh phân tử tại Đại học Yale và là tác giả chính của nghiên cứu, đã có “mối quan tâm lâu dài về cách thông tin điều tiết ở đầu năm nguyên tố của RNA thông tin kiểm soát sự biểu hiện của gen ở mức độ dịch mã,” cô nói Nhà khoa học. Phòng thí nghiệm của cô đã thử một số phương pháp để giải quyết câu hỏi này, đỉnh điểm là phương pháp mới được công bố, được gọi là phân tích trực tiếp nhắm mục tiêu ribosome (DART).
Đối với DART, nhiều 5’UTR có chiều dài đầy đủ tổng hợp được ủ trong dịch chiết tế bào, chứa các yếu tố cần thiết để bắt đầu dịch mã, bao gồm cả ribosome. Sau khi 5’UTRs và ribosome được để hòa trộn trong 30 phút, hỗn hợp được ly tâm, khiến 5’UTRs liên kết với ribosome chìm xuống, trong khi 5’UTRs không liên kết nhẹ hơn sẽ nổi. Sau đó, các nhà nghiên cứu sắp xếp chuỗi RNA từ cả hai phân đoạn và cuối cùng so sánh xem có bao nhiêu 5’UTR với một trình tự nhất định đã quản lý để tạo ra một ribosome so với bao nhiêu thì không. Sử dụng phương pháp này, Gilbert và nhóm của cô đã tìm thấy sự khác biệt gấp 1.000 lần trong việc tuyển dụng ribosome giữa 5’UTRs, theo cô, “đó là những gì chúng tôi mong đợi từ công việc mà chúng tôi đã làm, rất chăm chỉ, trong nhiều năm, thử nghiệm năm 5’UTR cùng một lúc — nhưng bây giờ chúng tôi có thể kiểm tra 10.000. “
Sau đó, họ sử dụng cách tiếp cận thông lượng cao này để điều tra cấu trúc thứ cấp ảnh hưởng như thế nào đến quá trình bắt đầu dịch mã. Chèn các cấu trúc vòng gốc ổn định ở các vị trí khác nhau của các 5’UTR khác nhau, họ quan sát thấy rằng việc tuyển dụng ribosome bị ức chế khác nhau tùy thuộc vào vị trí đặt các vòng gốc. “Có những trường hợp, việc di chuyển vị trí chèn bằng ba nucleotide đã thay đổi hoàn toàn hiệu quả: Bạn đặt nó vào một chỗ và dịch mã bị bóp nghẹt, đó là những gì chúng tôi mong đợi. Và sau đó bạn di chuyển nó chỉ một chút, và bây giờ nó không ảnh hưởng đến việc dịch một chút nào, ”Gilbert nhớ lại. Trong nghiên cứu trong tương lai, Gilbert dự định sử dụng DART để nghiên cứu sâu hơn các quy tắc bắt đầu dịch mã.
Gilbert và các thành viên trong nhóm của cô ấy, bao gồm cả postdoc Rachel Niederer, cũng sử dụng DART để xác định các tính năng khác trong 5’UTR ảnh hưởng đến mức độ mạnh mẽ của khu vực tuyển dụng ribosome. Một trong những mô típ như vậy là các trình tự chứa các đoạn dài của axit nucleic uridine, kích thích sự tuyển dụng ribosome. Họ cũng phát hiện ra rằng 5’UTR với lượng ribosome cao hơn có xu hướng có trình tự giàu AU(gold), trong khi những người có lượng ribosome thấp hơn có nhiều trình tự giàu C(carbon) hơn.
“Các trình tự mà họ đã xác định […] sẽ rất thay đổi về mặt giáo điều trong khả năng của chúng tôi để hiểu tính cụ thể từ điều khiển tịnh tiến,” Barna nói. “Nó làm tăng sự chú ý của chúng tôi đến các yếu tố quy định dịch thuật vốn rất ít được khám phá này.” Bằng cách chứng minh rằng các yếu tố này “có thể có những tác động sâu sắc đến sự biểu hiện gen”, nghiên cứu tiết lộ “một lớp kiểm soát mới đối với cách các sản phẩm gen đang được bật và tắt,” cô nói.
Shu-Bing Qian, một nhà sinh vật học tại Đại học Cornell, người không tham gia vào nghiên cứu, đồng ý rằng “sử dụng một nhóm các trình tự tổng hợp để theo dõi tải lượng ribosome là một cách tiếp cận thông minh.” Tuy nhiên, ông viết trong một email cho The Scientist, hệ thống không có tế bào là một hạn chế vì “lượng ribosome tải trong các chất phân giải không nhất thiết phản ánh tình hình bên trong tế bào” và tốc độ phiên mã mRNA có chiều dài đầy đủ thì bản mã phân rã bên trong tế bào cũng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ dịch mã của chúng.
Tuy nhiên, đối với Gilbert, đó là một quyết định có chủ ý trong việc thiết lập DART bằng cách sử dụng chiết xuất thay vì tế bào, vì cô và nhóm của mình đã tìm cách “tách biệt ảnh hưởng của trình tự mRNA đối với nhiều bước sản xuất protein”. Vì các vùng điều tiết có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của RNA, thuần hóa RNA và sự tuyển dụng ribosome, họ muốn thiết lập một hệ thống trong đó họ có thể đo lường chỉ một bước “và tin tưởng rằng sự khác biệt mà chúng tôi đang đo lường đến từ một thứ, đó là sự tuyển dụng ribosome.”
Tất cả các chuyên gia đã nói chuyện với The Scientist về nghiên cứu đều chỉ ra tiềm năng của công nghệ này trong việc tìm cách tối ưu hóa các phương pháp điều trị mRNA, chẳng hạn như vắc-xin mRNA và cải thiện sản lượng dịch thuật. Barna nói: “Có rất nhiều sự quan tâm trong việc tìm kiếm các yếu tố điều tiết này theo quan điểm của liệu pháp điều trị RNA.