Когда клетки копируют ДНК для получения транскриптов РНК, некоторые участки генетического материала включаются — они известны как экзоны. Полученный транскрипт представляет собой полностью зрелую молекулу РНК, которую можно использовать в качестве матрицы для построения белка. Одной из особенностей экспрессии генов является то, что посредством процесса, известного как альтернативный сплайсинг, клетка может выбирать различные комбинации экзонов для получения различных транскриптов РНК. Исследователи, возглавляемые командой Центра геномной регуляции (CRG) Барселонского института науки и технологий, обнаружили набор крошечных фрагментов генов, кодирующих белок, известных как микроэксоны, которые встраиваются в мРНК островковых клеток поджелудочной железы и, по-видимому, играют важную роль в функционировании островков и контроле уровня сахара в крови, и может способствовать предрасположенности к диабету 2 типа (СД2).
Команда, совместно возглавляемая профессором исследований ICREA идентифицировала РНК-связывающий белок SRRM3, который регулирует эти островковые изменения, и обнаружила, что как SRRM3, так и островковые изменения были вызваны повышенным уровнем глюкозы. Затем их исследования показали, что либо истощение SRRM3 в линиях бета-клеток человека и крысы, а также в мышиных островках, либо подавление определенных островковых систем влияло на секрецию инсулина. Сообщая о своих выводах в журнале Nature Metabolism, исследователи обнаружили, что генетические варианты человека, которые влияют на экспрессию SRRM3 и включение островковых клеток в островки, были связаны с изменением уровня глюкозы натощак и риском СД2. Команда предполагает, что эти островковые микроэкзоны могут представлять собой многообещающие мишени для лечения дисфункциональных бета-клеток при СД2. Их результаты также подтверждают мнение о том, что островковые клетки поджелудочной железы эволюционировали путем заимствования регуляторных механизмов у нейрональных клеток.
В опубликованной статье, озаглавленной «Микроэксоны поджелудочной железы регулируют функцию островков и гомеостаз глюкозы», авторы заявили: «Мы обнаружили, что подмножество нервных микроэксонов присутствует в островках поджелудочной железы, формируя эволюционно консервативную программу, которая особенно влияет на гены, участвующие в секреторной функции инсулина и риске СД2 ... Таким образом, наши результаты раскрывают посттранскрипционную регуляторную программу, необходимую для функционирования зрелых островковых клеток и контроля гликемии».
Живые организмы используют альтернативный сплайсинг для обеспечения сложных функций. Подобно тому, как кинопродюсеры создают обычную и режиссерскую версию фильма, включение или исключение одного экзона в транскрипт может привести к производству белков с различными функциями. Таким образом, разные типы клеток в разных типах тканей продуцируют разные транскрипты РНК из одного и того же гена. Как объяснили авторы, «Альтернативный сплайсинг регулирует дифференциальную обработку интронов и экзонов для генерации множества изоформ мРНК из одного первичного транскрипта, способствуя транскриптомному и протеомному разнообразию. Подсчитано, что более 95% мультиэкзонических генов человека подвергаются альтернативному сплайсингу, значительная часть которого регулируется способом, обогащенным типом ткани и клеток.»
Понимание того, как работает этот процесс, дает новые сведения о человеческом развитии, здоровье и болезнях и прокладывает путь к новым диагностическим и терапевтическим целям. «Множество исследований предоставили экспериментальные доказательства того, что альтернативная регуляция сплайсинга необходима для многих биологических процессов, и раскрыли роль нескольких РНК-связывающих регуляторных белков сплайсинга в тканеспецифичном развитии и функциях», — продолжила команда.
Микроэксоны — это недавно открытый тип последовательности ДНК, кодирующей белок. Имея длину всего от трех до 27 нуклеотидов, микроэксоны намного короче среднего экзона, который обычно составляет в среднем около 150 нуклеотидов. Существование микроэкзонов у многих различных видов, начиная от мух и заканчивая млекопитающими, предполагает, что они выполняют важную функцию, поскольку сохранялись естественным отбором в течение сотен миллионов лет.
У людей большинство микроэксонов содержится исключительно в нейрональных клетках, где крошечные фрагменты генов играют ключевую роль. Например, недавние исследования показывают, что они имеют решающее значение для развития фоторецепторов, специализированного типа нейронов в сетчатке. Исследования также показали, что изменения активности микроэкзонов часто встречаются в мозге аутистов, что позволяет предположить, что эти фрагменты генов играют важную роль в клинических характеристиках заболевания.
Однако, как далее указала команда в своей недавно опубликованной статье, хотя известно, что альтернативный сплайсинг играет решающую роль в развитии и функционировании различных типов клеток и тканей, «его влияние на эндокринную систему поджелудочной железы и его физиологическая значимость в контексте контроля гликемии остаются в значительной степени неизвестными».
Иримия, исследователь CRG, которая исследует функциональную роль микроэкзонов, объяснила: «Микроэкзон — это короткий фрагмент ДНК, который кодирует несколько аминокислот, строительных блоков белков. Хотя мы не знаем точных механизмов задействованного действия, включение или исключение всего лишь нескольких из этих аминокислот во время сплайсинга формирует поверхности белков очень точным образом. Таким образом, сращивание микроэкзонов можно рассматривать как способ проведения микрохирургических операций с белками в нервной системе, изменяя то, как они взаимодействуют с другими молекулами в высокоспециализированных синапсах нейронов».
Исследования, проведенные профессором-исследователем ICREA в CRG, показали, что микроэксоны также присутствуют в островковых клетках поджелудочной железы, другом типе клеток, которые выполняют узкоспециализированные функции в сложной ткани и органе. Их работа показала, что сплайсинг микроэкзонов распространен в островках поджелудочной железы, содержащих бета-клетки, вырабатывающие инсулин.
Исследователи сделали свое открытие, изучая роль альтернативного сплайсинга в биологии островков поджелудочной железы и поддержании уровня сахара в крови. Они изучали данные о последовательности РНК из различных тканей человека и грызунов, в частности, искали экзоны, которые по-разному сплайсируются в островках поджелудочной железы по сравнению с другими тканями.
Их данные показали, что половина экзонов, специфически обогащенных в островках поджелудочной железы, были микроэксонами, почти все из которых также были обнаружены в нейрональных клетках. «Мы обнаружили, что подмножество нервных микроэксонов также присутствует в островках поджелудочной железы, формируя эволюционно сохраненную программу, которая особенно влияет на гены, участвующие в секреторной функции инсулина и риске СД2», — пишут они. Полученные результаты согласуются с идеей о том, что островковые клетки поджелудочной железы кооптировали регуляторные механизмы из нейрональных клеток.
Исследования команды показали, что из более чем 100 идентифицированных микроэкзонов островков поджелудочной железы большинство были расположены в генах, критичных для секреции инсулина, или связанных с риском развития диабета 2 типа. «Исследование также показало, что включение микроэксона в транскрипты РНК контролировалось SRRM3, белком, который связывается с молекулами РНК и кодируется геном SRRM3. Эксперименты продемонстрировали, что высокий уровень сахара в крови индуцировал как экспрессию SRRM3, так и включение микроэксонов, намекая на возможность того, что регуляция сплайсинга микроэксонов может играть определенную роль в поддержании уровня сахара в крови.
Чтобы лучше понять влияние островковых микроэкзонов, исследователи провели функциональные эксперименты с использованием бета-клеток человека, выращенных в лаборатории, а также эксперименты in vivo и ex vivo с мышами, у которых отсутствует ген SRRM3. Они обнаружили, что истощение SRRM3 или подавление отдельных микроэкзонов приводит к нарушению секреции инсулина в бета-клетках. У мышей изменения в сплайсинге микроэксона изменили форму островков поджелудочной железы, что в конечном итоге повлияло на высвобождение инсулина. «Последовательно неправильная регуляция микроэкзонов в бета-клеточных линиях, либо глобально за счет истощения SRRM3, либо индивидуально с использованием антисмысловых олигонуклеотидов (ASOs), приводит к нарушенному высвобождению инсулина. В соответствии с этим у мышей с нокаутом Srrm3 наблюдались изменения в идентичности островковых клеток, повышенная секреция инсулина и стойкая гипогликемия», — пишут исследователи.
Исследователи объединились с исследовательской группой Хорхе Феррера, доктора философии, также работающего в CRG, для изучения генетических данных и транскриптов РНК у людей, страдающих диабетом и не страдающих им, и изучения возможных связей между микроэкзонами и нарушениями обмена веществ у человека. Они обнаружили, что генетические варианты, которые влияли на включение микроэксона, были связаны с колебаниями уровня сахара в крови натощак, а также с риском СД2. Они также обнаружили, что у пациентов с сахарным диабетом 2 типа уровень микроэксонов в островках поджелудочной железы ниже. «Важно отметить, что генетические варианты человека, которые влияют на экспрессию SRRM3 и включение островков в островки, связаны с изменением уровня глюкозы натощак и риском развития диабета 2 типа», — отметили ученые. «...мы также наблюдали, что активность островков в значительной степени подавлена в островках у индивидуумов с СД2, эффект, о котором также недавно сообщалось на модели мышей с диабетом ... В целом, эти данные свидетельствуют о том, что изменения в активности SRRM3 и его мишеней для микроэксона влияют на функцию островков и гомеостаз глюкозы, потенциально способствуя предрасположенности к СД2».
Результаты исследования прокладывают путь к изучению новых терапевтических стратегий лечения диабета путем модуляции сплайсинга. «Здесь мы показываем, что микроэксоны островков играют важную роль в функционировании островков и гомеостазе глюкозы, потенциально способствуя предрасположенности к диабету 2 типа», — объяснил исследователь CRC post-doc Джонас Хуан Матеу, доктор философии, который является первым автором исследования. «По этой причине микроэкзоны могут представлять собой идеальные терапевтические мишени для лечения дисфункциональных бета-клеток при диабете 2 типа. Доступен широкий спектр модуляторов сплайсинга для лечения различных заболеваний человека», — отметил Мато. «Когда я впервые начал изучать сплайсинг в островках поджелудочной железы восемь лет назад, я хотел выяснить, можно ли использовать существующие модуляторы сплайсинга для лечения диабета. Я думаю, мы на один шаг ближе к этому».
Хотя работа показывает, что микроэксоны играют важную роль в биологии островков поджелудочной железы, потребуются дальнейшие исследования, чтобы определить их точное влияние на развитие ткани. Исследователям также не хватает механистического понимания того, как каждый отдельный микроэксон изменяет функцию белка и влияет на ключевые пути в островковых клетках. Понимание этого прольет свет на их точную физиологическую роль при диабете и других метаболических заболеваниях, связанных с островками поджелудочной железы.
Исследование дополняет растущий объем доказательств того, что микроэкзоны играют решающую роль в развитии человека, здоровье и болезнях. «Менее чем через 10 лет после того, как мы впервые сообщили об их существовании, мы видим, как микроэксоны являются ключевыми элементами, которые изменяют то, как белки взаимодействуют друг с другом в клетках с функциями, требующими высокой степени специализации, такими как высвобождение нейротрансмиттеров или инсулина и передача света», — объяснила Иримия. «Следовательно, мы ожидаем, что мутации в микроэкзонах приведут к заболеваниям, генетические причины которых мы еще не поняли. Мы начинаем искать эти мутации у пациентов с нарушениями развития нервной системы и обмена веществ, а также ретинопатиями, чтобы затем разработать возможные вмешательства для их лечения».
Как далее заключили авторы, «В настоящее время существует широкий спектр стратегий для терапевтического манипулирования сплайсингом РНК. Следовательно, будущие исследования молекулярной функции IsletMICs и других экзонов, обогащенных островками, и их роли в дисфункции островков могут предоставить ценные знания не только для биологии островков, но и для разработки новых методов лечения СД2, основанных на модуляции сплайсинга».
Чтобы оперативно узнавать о подобных и других новостях в мире сахарного диабета — подписывайтесь на телеграм-канал «Тест-Полоски» по адресу:
https://t.me/+IM6gYEXyj28yYWEy
