RNA-dynamik dekonstrueret:Teknik giver detaljeret overblik over, hvordan niveauer ændrer sig

Et forskerhold ledet af forskere ved National Institutes of Healths National Human Genome Research Institute (NHGRI) har udviklet en avanceret teknik, der giver et usædvanligt detaljeret billede af, hvordan RNA-niveauer ændrer sig i celler over tid. Holdet brugte den nye metode til at undersøge den cellulære dynamik af RNA-molekyler efter to forskellige cellulære belastninger. Denne tilgang, kaldet scSLAM-IsoSeq, giver vigtig information til forskere, der studerer fundamentale cellulære processer og menneskelige sygdomme forårsaget af unormal RNA-regulering såsom cancer og udviklingsforstyrrelser.

Holdet af videnskabsmænd, ledet af Bing Ren, PhD, videnskabelig direktør for NHGRI Center for Computational and Functional Genomics og en Howard Hughes Medical Institute-forsker, offentliggjorde deres resultater i dag (22. september 2022) i tidsskriftet Nature.

"Den nye teknik gør det muligt samtidig at analysere RNA-dynamikker og funktioner såsom genregulerende regioner og RNA-modifikationer, hvilket er et spændende fremskridt for forskere," sagde Ren.

RNA-molekyler er essentielle for liv; de spiller en central rolle i mange biologiske processer, herunder proteinsyntese, cellesignalering og genregulering. Niveauerne og aktiviteten af ​​RNA-molekyler skal kontrolleres tæt i en celle for at opretholde cellulær homeostase.

I 2014 opfandt Rens team en metode kaldet single-cell RNA-seq (scRNA-seq), et kraftfuldt værktøj, der tilbyder omfattende information om niveauer, funktioner og karakteristika af RNA-molekyler i individuelle celler. scRNA-seq er siden blevet en meget brugt teknologi, der har avanceret forskernes forståelse af kompleksiteten af ​​cellulær biologi.

"Enkeltcellet RNA-seq revolutionerede feltet ved at give et øjebliksbillede af individuelle celler på et bestemt tidspunkt," sagde medforfatter Jingjing Li, PhD, en seniorforsker i Rens laboratorium. "Med den nye tilgang kan vi studere ikke bare et statisk billede, men også en dynamisk film af, hvordan RNA ændrer sig som reaktion på cellulære begivenheder eller genetiske forstyrrelser, hvilket giver os hidtil uset indsigt i de indviklede regulatoriske mekanismer for genekspression."

Forskerne skabte scSLAM-IsoSeq-teknikken ved at bygge på to tidligere eksisterende metoder:scSLAM-seq, som måler syntesehastigheden af ​​RNA-molekyler i individuelle celler; og Iso-seq, som kan fange forskellige former for RNA-molekyler (isoformer). Den resulterende teknik, scSLAM-IsoSeq, giver meget detaljerede oplysninger om dynamikken og funktionerne i individuelle RNA-molekyler, herunder hastigheden af ​​RNA-produktion og -nedbrydning, alternative splejsningsmønstre og modifikationer.

For at demonstrere mulighederne for scSLAM-IsoSeq analyserede NHGRI-forskerne RNA-dynamikken og funktionerne i to forskellige cellulære stresstilstande:varmechok og behandling med lægemidlet thapsigargin, begge kendt for at inducere en cellulær stressrespons. De studerede disse cellulære responser i to forskellige celletyper:embryonale stamceller fra mus og menneskeinducerede pluripotente stamceller. Denne forskning gjorde det muligt for holdet at afsløre ny indsigt i, hvordan RNA-molekyler reagerer på et skiftende miljø. For eksempel fandt de ud af, at RNA-isoformer spiller væsentlige roller i det cellulære stressrespons, hvilket tyder på deres potentiale som terapeutiske mål for sygdomme, der opstår som følge af cellulær stress.

"Vi tror på, at denne nye teknik vil være transformativ for RNA-biologi og vil bane vejen for fremtidige undersøgelser af RNA-regulering, cellulær omprogrammering og sygdomsmekanismer," sagde medforfatter Jianan Ma, PhD, også seniorforsker i Rens laboratorium .

Forskerne planlægger at forbedre scSLAM-IsoSeq yderligere og gøre det mere tilgængeligt for det bredere videnskabelige samfund for at anspore til nye opdagelser inden for RNA-biologi og menneskelige sygdomme.