Ikke-kodende RNA-forskning vinner terreng over 'søppelmerking'.
David Coppedge; 20. okt. 2022 Oversatt herfra. (kursiv eller undertreking ved oversetter)


Bilde 1. Et blikk bakovutsyn-bakoverer


Kanskje tar det ikke lang tid før alle, inkludert kritikere, ser på "søppel-DNA"-konseptet i bakspeilet. I Nature Methods denne måneden gir redaktørene stemme til paradigmeskiftere. "Forskersamfunnet fokusert på ikke-kodende RNA fortsetter å vokse," skriver journalist Vivien Marx i en teknologi-demonstrasjon, lenke. Men "Skepsis til feltet har en viss historie." Som dark horse-kandidater som tar ledelsen, ser skattejegerne ut til å være langt foran flokken. Avslørende er overskriften skrevet i fortid: "Hvordan ikke-kodende RNA begynte å forlate søppelplassen."

-Skrot. Etter noens syn er det hva ikke-kodende RNA (ncRNA) er, - gener som blir transkribert, men ikke oversatt til proteiner. Med en av sine ncRNA-artikler husker forsker Tim Mercer fra University of Queensland at to anmeldere sa "dette er bra" og den tredje sa "alt dette er søppel; ikke-kodende RNA-er, er ikke funksjonelle." Debatter om ncRNA, etter Mercers syn, har generelt beveget seg fra "alt er søppel" til "hvilke er funksjonelle?" og "hva gjør de?" Forskere kartlegger fremtiden til feltet, som er temaet for et øyeblikk i historien i dette nummeret. Forskere innen ncRNA-feltet har møtt skepsis og arbeidet for å fjerne den.

Bilde 2. miRNA kan ha ulike funksjoner i ulike stadier

miRNAVivien Marx lister opp noen 'eksemplariske' ncRNA-er som har vist seg å være funksjonelle:
Xist: dette lncRNA inaktiverer et av X-kromosomene hos kvinnelige pattedyr.
Lac-operonet er en del av et genregulerende kretsløp som kreves for transport og metabolisme av laktose i E. coli og i mange andre enteriske bakterier.
micF var blant de første regulatorene for genuttrykk som ble oppdaget. Det hemmer oversettelse av et budbringer-RNA som svar på miljøstress.
lin-4, et mikroRNA (miRNA), påvirker uttrykket av et messenger-RNA (mRNA) etter at det har blitt transkribert.

Som Aurora Esquela-Kerscher fra Eastern Virginia Medical School påpeker, er lin-4 "grunnleggeren av miRNA-superfamilien." Mange miRNA-er er identifisert i plante-, dyre- og virale genomer, og de ser ut til å påvirke forskjellige cellulære prosesser, inkludert spredning, apoptose, differensiering, metabolske og immunresponser. Å studere lin-4 i C. elegans ga en grunnleggende forståelse av miRNAs mekanismer. miRNA er "mer komplekse enn først forutsagt," og de styrer viktige funksjoner i kjernen og cytoplasma; de modulerer gener på positive og negative måter. "Følg med - disse små RNA-ene har sannsynligvis større overraskelser i vente for oss!"
Ikke-kodende RNA-er er allestedsnærværende i cellen. Noen fungerer som brytere som slår genuttrykk av og på i ulike celletyper og vev og i ulike utviklingsstadier.
Når forskere oppdaget at ett miRNA kan regulere hundrevis av forskjellige mRNA - dette begynte med arbeidet med lin-4 - "var det en total game changer," sier Linscott. "Plutselig hadde vi en forklaring på hvor mange forskjellige deler av en gitt vei, som kan bli påvirket av et enkelt ikke-kodende element."

Bilde 3. RNA har cellulære roller

Historikk og utsyn
Cellulære roller for RNAMarx sin artikkel tar leserne gjennom en kort historie om RNA-funn, fra år 1869 da nukleinsyrer først ble identifisert til i dag. Feltet mangler imidlertid fortsatt modenhet, så designforkjempere bør ikke skynde seg å anta at hver base i genomet er funksjonell. Da ENCODE-konsortiet fant at 80 prosent av genomet ble transkribert, innebar det ikke at funksjonene til alle disse transkripsjonene ble forstått.
Det som manglet da og det som fortsatt mangler, sier han, er en teori som ville tillate å passe RNA inn i det større reguleringsskjemaet. "Fordi alle eksemplene vi kjente til var en slags enkeltstående," sier Guttman. Små RNA-er fra cellekjernen, for eksempel, vil basepares med introner på spleisesteder, for å lede spleisemaskineriet. "Hvordan generaliserer du utover spleising?" spør han. Små nukleolære RNA-basepar med 45S pre-ribosomalt RNA; Det er en annen "engangsvei". Xist, et lncRNA, demper ett av de to X-kromosomene i kvinnelige pattedyrs X-kromosomer, og det gir en annen ekstrapolasjons-utfordring, sier Guttman.

Bevisene om Xist er generelt akseptert, sier han, men de forblir tilsynelatende eksepsjonelle.
Genomikk har helt klart 'utviklet' utover sin tidligere proteinsentriske tenkning, konkluderer Marx, men "Tvil kan forbli, og noen aspekter er fortsatt utfordrende å bevise." Designforkjempere bør unngå likheter til å gjenta "det-bare-er-slik-historier", om funksjoner til ncRNA. Maite Huarte råder: "Mangelen på strenghet i noen studier, har gitt næring til skepsisen til noen forskere, og vi står overfor utfordringen med å produsere best mulig bevis for å overvinne denne fordommen."


hjerne-kombinasjonerEn måned tidligere i The Scientist skrev Christie Wilcox om "De ikke-kodende regulatorene i hjernen." Artikkelen hennes inneholder en nyttig infografikk om typer ncRNA. De er "ikke så ikke-kodende" tross alt:
Ikke-kodende RNA kan være litt feilaktig. I det minste noen lncRNA-er, circRNA-er og transkripsjoner av andre såkalte ikke-kodende genomiske regioner inneholder faktisk åpne leserammer som koder for mikropeptider.
Den kodende-ikke-kodende nomenklaturen for RNA-er oppsto i de tidlige dagene av genomisk sekvensering. "Det er en slags menneskelig natur der, i det å måtte dele opp alt," sier University of Queensland molekylær nevroforsker Timothy Bredy. Men når det kommer til mangfoldet av former RNA kan ha, vet forskere nå at slike restriktive bokser ikke fanger virkeligheten. "Vi må komme opp med en ny måte å beskrive dem på - som multidimensjonale eller multifunksjonelle RNA-arter," sier han.

Veien fremover
I en følgeartikkel i Nature Methods ser Marx på "Noen veier fremover for ncRNAs." Nå som GENCODE har identifisert 20 000 lncRNA-er og FANTOM-konsortiet har identifisert 30 000, er prioriteringen å "utvikle og anvende metoder for å identifisere og forstå rollene til lncRNA-er og RNA-nettverk" slik at det vitenskapelige samfunnet kan kunngjøre klare resultater og foreslå hypoteser .

Bilde 4. Hjernen -ufattelig mange 'forbindelser'

Ettersom saker skifter fra feiende utsagn om søppel og transkripsjonsstøy, skifter oppgavene til det praktiske ved å utforske funksjonaliteten til ncRNA-er for å avdekke deres roller i differensiering, utvikling og sykdom, sier Mercer. Han ser en ny generasjon av forskere finne seg til rette for å gjøre det 'harde arbeidet' med å bygge videre på feltets prestasjoner, der teknologiutvikling og anvendelse har vært viktig. Det vil for eksempel ha betydning å kombinere metoder - eksisterende og nye som fortsatt skal utvikles.


Selv om det ikke er "mangel på ncRNA" (det menneskelige genomet har 96 411 lncRNA-gener og 173 112 lncRNA-transkripsjoner, bemerker Marx), vil det ta tid å løse det vanskelige ved det genomiske nettverket. Alternativ spleising kan påvirke ncRNA-er, og produsere forskjellige funksjoner, akkurat som det gjør med proteinkodende transkripsjoner. Men siden knockout-eksperimenter med ncRNA-er ikke er like definitive som de med gener, må man ikke generalisere for raskt fra observasjoner. Det som skjer i en celletype kan fungere annerledes i en annen. John Mattick fra University of New South Wales, er optimistisk med tanke på den funksjonelle kapasiteten til genomet:


Funksjoner for junk-DNAGenomer, sier Mattick, er 'zip-filer' av transkripsjon, med mange lag med informasjon. "Det menneskelige genomet er utrolig informasjonstett," sier han. ncRNA-er er for eksempel involvert i hjernens utvikling på måter som ennå ikke er dechiffrert. "Det er bare en hel verden av disse tingene som produseres i forskjellige stadier av differensiering og utvikling, og vi har knapt skrapet på overflaten av hvilke som gjør hva."

Bilde 5. Kjente funksjoner for 'junk DNA'


Gene Yao ved UC San Diego ser på genomet som en samling av isoformer som involverer både gener og ikke-kodende regioner. Sett på den måten er det langt mer informasjon pakket inn i genomet, enn det lille antallet gener som overrasket biokjemikere da Human Genome Project ble fullført.

Yeo råder til å huske på at utover de rundt 25 000 menneskelige genene er det hundrevis og tusenvis av alternative isoformer. "Når jeg tenker på RNA, tenker jeg virkelig isoformer," sier han. Fordi isoformer ikke kan skilles ut ved in situ hybridisering, "Jeg vil si at vi mangler 80% av bildet," for eksempel subcellulære effekter. Dette legger til de levende cellemålingene som ikke enkelt er mulig.

 

Å bringe fram kritikere
Det er fortsatt kritikere som mener at RNA-forskningsmiljøet "overdriver omfanget av lncRNA-funksjonen" og kommer med ubegrunnede påstander. Eksemplene kan ennå ikke generaliseres til andre ncRNA-er med ukjent funksjon, hevder de. Tilhengerne svarer at fremgangen er vanskelig. Det er mye vanskeligere å forstyrre ncRNA-er uten å påvirke noe annet. Ikke-kodende RNA er ikke 'evolusjonært bevart' slik mange gener er - en ledetråd genetikere har brukt, for å vurdere sannsynlig funksjonell betydning. Hvert ncRNA må evalueres innenfor sin celletype og utviklingskontekst.

 

Bilde 6. mRNA transkripsjon


mRNA-transkrptNoen kritikere peker på de lave uttrykksnivåene til ncRNA-er for å hevde at de ikke kan være så viktige. Marx lar Mitch Guttman fra Caltech svare; han påpeker at "lncRNA-er 'kan virke ut over sin vekt' og virke på en ikke-støkiometrisk måte -lenke, for å forsterke effekter." Analogt kan én bryter slå mange ting på eller av. Wilcox siterer Duke University utviklingsnevrobiolog Debra Silver:
"Det er som å treffe, i mangel av et bedre begrep, nesten en mesterregulator for genuttrykk," sier Silver. "Og ved å gjøre det, kommer det til å påvirke genuttrykk av målene sine, sannsynligvis på en veldig cellespesifikk, vevsspesifikk, tidsspesifikk måte, og det kan i seg selv påvirke uttrykket av nedstrømsmål under det." På grunn av dette legger hun til "selv om genomet vårt av mennesker og for eksempel sjimpanser er bemerkelsesverdig like globalt på DNA-nivå, er det en hel rekke regulatoriske endringer på RNA-nivå, som sannsynligvis vil bidra synergistisk til menneskespesifikke egenskaper ."

Wilcox er enig i at RNA-er har fått "mye mer oppmerksomhet" de siste 10 til 15 årene, men feltet må gå forbi katalogiseringsstadiet og bestemme funksjonene til de tusenvis av identifiserte ncRNA-ene. "En av de vanskeligere aspektene ved å studere ikke-kodende RNA er at de ikke handler alene," sier hun. "Snarere fungerer de i nettverk og systemer i celler som kan være vanskelig å rekapitulere i eksperimentelle modeller."

Dette er eksempler på debatter som for tiden pågår innen RNA-forskning. Nå som omfattende data er samlet inn om ikke-kodende områder av genomet, er forskere opptatt med å gjøre det harde arbeidet, for å analysere det og forstå det. Flere unge forskere velger RNA-forskning som sin karrierespesialitet. Uten å overdrive saken, kan designforkjempere se denne vitenskapelige revolusjonen med forventning om at graden av spesifisert kompleksitet i genomet vil fortsette å vokse.


D. CoppedgeBilde 7: David Coppedge


David Coppedge er en frilans vitenskapsreporter i Sør-California. Han har vært styremedlem i Illustra Media siden grunnleggelsen og fungerer som deres vitenskapskonsulent. Han jobbet ved NASAs Jet Propulsion Laboratory (JPL) i 14 år, på Cassini-oppdraget til Saturn, til han ble kastet ut i 2011 for å ha delt materiale om intelligent design, en diskriminerende handling som førte til en nasjonalt publisert rettssak i 2012. Discovery Institute støttet saken hans, men en ensom dommer dømte mot ham uten forklaring. En naturfotograf, friluftsmann og musiker, David har B.S. grader i realfagsutdanning og i fysikk og holder presentasjoner om ID og andre vitenskapelige emner.

 

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund