התולעת העגולה הזעירה C.elegans היא המוקד של מחקר חדש הבוחן 3'UTRs. מקטעים קצרים אלו של RNA ממלאים תפקיד קריטי בוויסות הגנים. המפה שהתקבלה, תוצר של 20 שנות מחקר, היא מערך הנתונים השלם ביותר מסוגו עבור כל בעל חיים, ותסייע לקדם הבנה בסיסית של מנגנוני ויסות גנים קריטיים בבריאות האדם ובמחלות. קרדיט: גרפיקה מאת ג'ייסון דרייס
מחקר חדש חוקר את מנגנוני ויסות הגנים.
חוקרים מאוניברסיטת אריזונה סטייט עשו פריצת דרך גדולה בהבנת ויסות גנים באורגניזמים חיים. המחקר, שפורסם לאחרונה בכתב העת מחקר חומצות גרעיןמדגיש את התפקיד המכריע של ספציפי RNA שברים בתולעת העגולה הקטנה והשקופה Caenorhabditis elegans (C. elegans).
המחקר מספק מפה מפורטת של אזורי 3'UTR של RNA ב-C. elegans. 3'UTRs (אזורים לא מתורגמים) הם מקטעים של RNA המעורבים בוויסות הגנים.
המפה החדשה היא כלי רב ערך עבור מדענים החוקרים כיצד DNA גנים מופעלים ומכבים לאחר שעתוקם ל-RNA. באמצעות נתונים אלה, מדענים יכולים לבצע תחזיות משופרות לגבי האופן שבו מולקולות RNA קטנות (miRNA) מתקשרות עם גנים כדי לשלוט בפעילותן. החוקרים גם חקרו אזורים מכריעים של 3'UTRs המסייעים בעיבוד וויסות מולקולות RNA.
על ידי לימוד החומר הגנטי במודל האורגניזם הזה, החוקרים משיגים תובנות עמוקות יותר על המסתורין של התנהגות גנים, ושופכים אור על תהליכים ביולוגיים בסיסיים החיוניים לבריאות האדם ולמחלות.
"עבודה מונומנטלית זו מייצגת שיא של 20 שנות עבודה קשה. סוף סוף יש לנו את התמונה המלאה של האופן שבו גנים נוצרים באורגניזמים גבוהים יותר", אומר מרקו מנגון, מחבר המקביל של המחקר החדש. "עם מערך הנתונים השלם הזה, אנו יכולים כעת לאתר ולחקור את כל האלמנטים הרגולטוריים והעיבודים במקטעי הגנים הללו. אלמנטים אלו קובעים את משך ביטוי הגנים, את מיקומם הספציפי בתוך התאים ואת רמת הביטוי הנדרשת".
גנים הם רק חצי מהסיפור
גנים הם מקטעים של DNA המכילים את השרטוטים למגוון מדהים של החיים על פני כדור הארץ. עם זאת, חלק מהסוד לגיוון זה טמון לא בגנים עצמם, אלא באופן שבו ההשפעות שלהם מכווננות בעדינות. גנים מספקים את ההוראות לייצור חלבונים, הממלאים תפקידים חיוניים בבנייה ותיקון של תאים ורקמות, זירוז תגובות כימיות והגנה על הגוף מפני פתוגנים.
מרקו מנגון הוא חוקר במרכז הביו-עיצוב וירג'יניה ג' פייפר לאבחון מותאם אישית ופרופסור בבית הספר למדעי החיים ב-ASU. קרדיט: המכון לעיצוב ביולוגי באוניברסיטת אריזונה סטייט
כדי לייצר חלבונים, גנים דורשים מולקולה מתווכת הנקראת RNA. במהלך תהליך זה, ה-DNA מועתק לראשונה ל-RNA, שפועל כגשר בין תבנית ה-DNA לחלבונים המתקבלים. למרות שגנום ה-DNA שלנו קבוע מלידה, ה-RNA מספק לגוף גמישות עצומה על ידי ויסות אופן ביטוי הגנים.
לאחר שעתוק הוראות גנטיות מ-DNA ל-RNA שליח (mRNA), מקטעים מיוחדים של ה-mRNA – ה-3'UTRs – יכולים לווסת את אופן ייצור החלבונים.
3'UTRs הם קטעים של RNA הממוקמים בקצה מולקולת RNA שליח. הם עוזרים לשלוט כיצד ומתי מיוצרים חלבונים על ידי שליטה ביציבות וביעילות של ה-mRNA. ויסות זה מאפשר תגובות דינמיות לשינויים סביבתיים ומאפשר שליטה על ייצור חלבון, החיוני להתאמה לצרכים פיזיולוגיים שונים.
3'UTRs נשקלו מחדש
בתחילה, RNA לא מקודדים כמו 3'UTRs נחשבו למקטעים גנטיים לא חיוניים מכיוון שהם עצמם אינם מקודדים לחלבונים. עם זאת, מחקר עדכני מגלה שהם חיוניים לשינוי התנהגות הגנים ולהשפעה על יציבות ה-mRNA, לוקליזציה ויעילות התרגום. תרגום מתייחס לתהליך המרת RNA לחלבונים המורכבים מרצפים של חומצות אמינו.
3'UTRs הם חלק בלתי נפרד ממערכת מתוחכמת וניתנת להתאמה גבוהה של בלמים ואיזונים על ייצור חלבון. בנוסף, אלמנטים רגולטוריים אלה של RNA מכילים לעתים קרובות אתרי קישור לאלמנטים אחרים האחראים על ויסות חלבון, כולל מיקרו-RNA וחלבונים קושרים ל-RNA.
למרות חשיבותם, מדענים ידעו עליהם מעט בעבר. המחקר החדש מטפל בפער הזה על ידי מיפוי 3'UTRs עבור כמעט כל הגנים ב-C. elegans, ומספק את המפה השלמה ביותר מסוגה לכל בעל חיים.
צוהר לתפקוד גנים ולמחלות
C. elegans היא נמטודה קטנה ושקופה שהיא אחד מאורגניזמי המודל הנחקרים ביותר במחקר ביולוגי. משמעותו נעוצה בפשטותו, במחזור החיים הקצר ובמבנה הגנטי הממוף היטב.
האורגניזם חולק מסלולים ביולוגיים חיוניים רבים עם בני אדם, מה שהופך אותו לבעל ערך רב לחקר תפקוד גנים, התפתחות ותהליכי מחלה. הגוף השקוף שלו מאפשר לחוקרים לצפות בתהליכים תאיים בזמן אמת, וההרכב הגנטי שלו מאפשר מניפולציה מדויקת של גנים.
מאפיינים אלו הופכים את C. elegans לכלי רב עוצמה לחשיפת מנגנונים בסיסיים של ביולוגיה שנשמרים לרוב ברחבי מִיןכולל בני אדם.
המחקר מצא שתהליך המעבר בין 3'UTRs שונים נפוץ פחות ב-C. elegans ממה שחשבו בעבר. זה מאתגר אמונות קודמות ומדגיש את המורכבות של ויסות גנים. באמצעות הנתונים החדשים, מדענים עדכנו תחזיות לגבי האופן שבו microRNAs מתקשרים עם גנים.
לתובנות שהתקבלו מהמחקר החדש יש השלכות מרחיקות לכת על בריאות האדם. בעיות בשליטה בגנים עלולות להוביל למחלות כמו סרטן, סוכרת והפרעות נוירולוגיות. על ידי מתן מפה מפורטת של 3'UTRs והמרכיבים הרגולטוריים שלהם, המחקר מציע תובנות חדשות שיכולות להוביל לטיפולים וטיפולים טובים יותר.
מערך הנתונים החדש שהופק במחקר יהווה משאב מפתח עבור מדענים החוקרים גנטיקה ובריאות האדם. צוות ASU מתכנן להמשיך במחקר שלהם כדי להמשיך ולחקור כיצד אלמנטים רגולטוריים אלה פועלים והשפעתם הקריטית על בקרת גנים.
