1.1.2. Проблемы изучения транскриптома

Транскриптом – это совокупность продуктов транскрипции, т.е. молекул РНК, синтезированных клеткой или группой клеток в определённый период их функционирования. Раздел молекулярной биологии, изучающий транскриптом, называется транскриптомикой. Транскриптомика изучает структуру транскриптов, их пространственное и временное разделение в клетке, определяет уровень их экспрессии. Уровень мРНК гена определяется комбинацией процессов инициации и элонгации транскрипции, процессинга и деградации мРНК, в связи с чем возникает вопрос, какой вклад вносит каждый из этих процессов, как это связано с функцией соответствующего белка, и главное – как уровень мРНК гена коррелирует с уровнем соответствующего белка.

Экспрессия генов обусловлена большим количеством факторов, и эта многофакторность приводит к колебаниям уровня мРНК (и в ряде случаев белка) между клетками одной популяции (изогенными клетками) – транскрипционному шуму [22]. К этим факторам относится в том числе взаимодействие между клетками. Такую изменчивость следует отличать от изменчивости в ответ на целенаправленный стимул (пластичности экспрессии) [23]. Транскрипция генов происходит всплесками – короткий период транскрипционной активности сменяется периодом инактивации. Промежутки между всплесками нерегулярны. Причины этого до конца не ясны: есть предположения, что они кроются в ремоделировании хроматина, приводящем к транскрипционной активности гена [22], [24]; в формировании преинициаторных комплексов в области промотора ДНК, обеспечивающих работу РНК-полимеразы II – они существуют в течение короткого времени, что приводит к пульсирующей транскрипции [25]. Возможны другие причины вариабельности уровня мРНК – например, неравномерное разделение клеточного содержимого в результате митоза [26].

Все эти факты нужно обязательно учитывать при количественных исследованиях мРНК. Разные гены, кроме того, могут характеризоваться разным уровнем транскрипционного шума.

В связи с этим возникает вопрос, как соотносится уровень мРНК гена и уровень кодируемого этим геном белка в клетке. Ситуацию усложняет тот факт, что короткоживущие мРНК могут приводить к синтезу долгоживущих белков и наоборот.

Ряд авторов утверждает, что корреляция как таковая между уровнем белка и соответствующей ему мРНК отсутствует [27], [28]. Однако по результатам исследования Schwanhausser с соавторами, основанном на методе параллельной импульсной маркировки белков радиоактивно-меченными аминокислотами и РНК, меченной 4-тиоуридином (метод позволяет одновременно определять внутриклеточный оборот белков и мРНК), определённая корреляция была найдена. В соответствии с этим гены были разделены на 4 группы:

- стабильные мРНК, стабильные белки (гены ферментов гликолиза, глюконеогенеза, клеточного дыхания);

- нестабильные мРНК, нестабильные белки (гены, продукты которых участвуют в регуляции клеточного цикла, спирализации и деспирализации хроматина, факторы транскрипции);

- нестабильные мРНК, стабильные белки (продукты данных генов участвуют, в частности, в процессинге РНК);

- стабильные мРНК, нестабильные белки (продукты данных генов – секреторные белки; ферменты, участвующие в поддержании гомеостаза, многие гидролазы, белки иммунного ответа) [29].

Иначе говоря, существует определённая (частичная) корреляция уровня белка и уровня соответствующей мРНК, но эта корреляция зависит от функции белка, и она, вероятно, тем выше, чем выше уровень транскрипционной активности гена [30].

Определение уровня мРНК и соответствующих белков – необходимая часть исследований в функциональной геномике, поскольку недостаточно знаний о структуре гена, его транскрипта или транскриптов и специализации соответствующего белка для того, чтобы можно было судить об участии (степени участия) гена в физиологических процессах или в развитии патологий.