Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het National Human Genome Research Institute (NHGRI) van de National Institutes of Health heeft een geavanceerde techniek ontwikkeld die een uitzonderlijk gedetailleerd beeld biedt van hoe de RNA-niveaus in cellen in de loop van de tijd veranderen. Het team gebruikte de nieuwe methode om de cellulaire dynamiek van RNA-moleculen te onderzoeken na twee verschillende cellulaire spanningen. Deze aanpak, scSLAM-IsoSeq genoemd, biedt essentiële informatie voor onderzoekers die fundamentele cellulaire processen en menselijke ziekten bestuderen die worden veroorzaakt door abnormale RNA-regulatie, zoals kanker en ontwikkelingsstoornissen.

Het team van wetenschappers, onder leiding van Bing Ren, PhD, wetenschappelijk directeur van het NHGRI Center for Computational and Functional Genomics en een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute, publiceerden hun bevindingen vandaag (22 september 2022) in het tijdschrift Nature.

“De nieuwe techniek maakt het mogelijk om tegelijkertijd de RNA-dynamiek en kenmerken zoals genregulerende regio’s en RNA-modificaties te analyseren, wat een opwindende vooruitgang is voor onderzoekers”, aldus Ren.

RNA-moleculen zijn essentieel voor het leven; ze spelen een cruciale rol in veel biologische processen, waaronder eiwitsynthese, celsignalering en genregulatie. De niveaus en activiteit van RNA-moleculen moeten binnen een cel strak worden gecontroleerd om de cellulaire homeostase te behouden.

In 2014 vond het team van Ren een methode uit genaamd single-cell RNA-seq (scRNA-seq), een krachtig hulpmiddel dat uitgebreide informatie biedt over de niveaus, functies en kenmerken van RNA-moleculen in individuele cellen. scRNA-seq is sindsdien een veelgebruikte technologie geworden die het inzicht van onderzoekers in de complexiteit van de cellulaire biologie vergroot.

"Single-cell RNA-seq heeft een revolutie teweeggebracht in het veld door een momentopname te bieden van individuele cellen op een specifiek tijdstip", zegt co-eerste auteur Jingjing Li, PhD, een senior research fellow in Ren's laboratorium. “Met de nieuwe aanpak kunnen we niet alleen een statisch beeld bestuderen, maar ook een dynamische film van hoe RNA verandert als reactie op cellulaire gebeurtenissen of genetische verstoringen, waardoor we ongekende inzichten krijgen in de ingewikkelde regulerende mechanismen van genexpressie.”

De onderzoekers creëerden de scSLAM-IsoSeq-techniek door voort te bouwen op twee eerder bestaande methoden:scSLAM-seq, dat de synthesesnelheid van RNA-moleculen in individuele cellen meet; en Iso-seq, dat verschillende vormen van RNA-moleculen (isovormen) kan vangen. De resulterende techniek, scSLAM-IsoSeq, biedt zeer gedetailleerde informatie over de dynamiek en kenmerken van individuele RNA-moleculen, inclusief de snelheid van RNA-productie en -afbraak, alternatieve splitsingspatronen en modificaties.

Om de mogelijkheden van scSLAM-IsoSeq aan te tonen, analyseerden de NHGRI-onderzoekers de RNA-dynamiek en -kenmerken in twee verschillende cellulaire stressomstandigheden:hitteschok en behandeling met het medicijn thapsigargin, waarvan beide bekend zijn dat ze een cellulaire stressreactie induceren. Ze bestudeerden deze cellulaire reacties in twee verschillende celtypen:embryonale stamcellen van muizen en door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen. Dit onderzoek stelde het team in staat nieuwe inzichten te onthullen in hoe RNA-moleculen reageren op een veranderende omgeving. Ze ontdekten bijvoorbeeld dat RNA-isovormen een essentiële rol spelen in de cellulaire stressreactie, wat hun potentieel suggereert als therapeutische doelen voor ziekten die voortkomen uit cellulaire stress.

“Wij geloven dat deze nieuwe techniek transformatief zal zijn voor de RNA-biologie en de weg zal vrijmaken voor toekomstige studies over RNA-regulatie, cellulaire herprogrammering en ziektemechanismen”, zegt co-eerste auteur Jianan Ma, PhD, tevens een senior research fellow in het laboratorium van Ren. .

De onderzoekers zijn van plan scSLAM-IsoSeq verder te verbeteren en toegankelijker te maken voor de bredere wetenschappelijke gemeenschap om nieuwe ontdekkingen in de RNA-biologie en ziekten bij de mens te stimuleren.