Ribosomen-Sequenzierung zur Erforschung des Transkriptoms und Translatoms in der Forschung zu Herzerkrankungen beim Menschen

Die Translation ist der Prozess, bei dem das Ribosom die mRNA-Vorlage liest, um die Proteinsynthese zu steuern, und ist der entscheidende Schritt der Genexpression. Ribosomen-Profiling (or Ribo-seq) ist ein auf Tiefensequenzierung basierendes Werkzeug, das die detaillierte Messung der Translation global und in vivo ermöglicht, was eine Untersuchung des Übersetzungsprozesses von RNA zu Protein darstellt. Diese Sequenzierungsmethode bietet die erste systematische Methode zur Annotation der experimentellen kodierenden Region und entdeckt somit die Regulierung der Genexpression einer Vielzahl komplexer biologischer Prozesse, wichtige Aspekte des Mechanismus der Proteinsynthese und sogar neue Proteine. Die Sequenzierung dieser ribosomalen Schutzfragmente liefert somit einen genauen Nachweis der ribosomalen Position zum Zeitpunkt der Translation. Die Verteilung der ribosomalen Fußabdrücke kann Einblicke in die Kontrollmechanismen der Translation geben (zum Beispiel kann sie verwendet werden, um regulatorische Übersetzungsstopps und aufwärts gerichtete offene Leserahmen für die Translation zu identifizieren). Derzeit wird eine solche Sequenzierung in der Forschung zu Übersetzungsgruppen weit verbreitet eingesetzt.

Die Stärken der ribosomalen Sequenzierung

(1) Es bietet einen großen dynamischen Bereich für die Erkennung und Quantifizierung von Translation in ungestörten Zellen.

(2) Es bietet einzigartig reichhaltige und präzise Positionsinformationen.

(3) Die unmittelbare Natur der gesammelten Informationen spiegelt einen Momentaufnahme der Übersetzung wider.

(4) Analytische Fortschritte, die eine umfassendere Identifizierung anderer nicht-kanonischer Übersetzungsereignisse ermöglichen, werden unser Verständnis der protein-codierenden Kapazität komplexer Genome weiterhin erweitern.

(5) Sensitivität und Auflösung können das ribosomale Verhalten auf spezifischen Transkripten in einer einzelnen Zellpopulation messen, und die Auflösung kann bis auf ein einzelnes Codon reichen.

Ribo-seq zur Untersuchung der Translatomik von hypertrophen Kardiomyozyten

Hypertrophes Wachstum von Kardiomyozyten ist eine der wichtigsten kompensatorischen Reaktionen im Herzen nach physiologischer oder pathologischer Stimulation. Eine erhöhte Proteinsynthese, die durch die Translation von messenger RNA vermittelt wird, ist eines der Hauptmerkmale der kardialen Hypertrophie. Der Mechanismus dieser Induktion auf der Translationsebene muss jedoch noch bestimmt werden. Kürzlich haben Forscher den Herztranslationskörper durch tiefes Sequenzieren von Ribo-seq und RNA-seq analysiert. Die Daten zeigten, dass die Steigerung der Effizienz der Proteinsynthese bei der durch PE induzierten Kardiomyozytenhypertrophie hauptsächlich auf die Zunahme der Ribosomenzahl zurückzuführen war, wie durch die erhöhte Translation von ribosomalen Proteingenen belegt. Diese Studie bietet einen umfassenden genomischen Überblick über die Translationkontrolle hinter der kardialen Hypertrophie durch Ribosomen-Sequenzierung und demonstriert die unerkannte Rolle von Mikro-Peptiden in der Herzzellbiologie.

Nachweis der aktiven, translatierten RNA-Fragmente aus hypertrophen Kardiomyozyten

Ribosomen-Profiling enthüllt die Prinzipien der translationalen Kontrolle im menschlichen Herzen.

Die Translation ist ein Schlüsselbestandteil der Genexpression, aber wir wissen wenig über ihre Rolle im menschlichen Herzen. Genomweite Translatome können mithilfe von Ribosomen-Profiling charakterisiert werden, das mRNA-Fußabdrücke erfasst, die von translierenden Ribosomen geschützt sind. Forscher analysieren die Translatome von 80 menschlichen Herzen, um neue Translationsevents zu identifizieren und die Auswirkungen der translationalen Regulation durch mRNA-seq und Ribo-seq zu quantifizieren. Diese Studie identifizierte Hunderte von zuvor unentdeckten Mikropoteinen und deutet auf unentdeckte Rollen dieser Mikropoteine oder deren Beteiligung an biologischen Funktionen hin, die dem lncRNA zugeordnet sind. Darüber hinaus wurden 40 translierbare circRNA-Moleküle gefunden, indem die von Ribosomen in den Ribo-seq-Daten erfasste circRNA-Schnittstellensequenz analysiert wurde. Unter ihnen sind circCFLAR, circSLC8A1, circMYBPC3 und circRYR2 die ersten translierbaren circRNA-Moleküle, die im Myokard gefunden wurden.

Ribo-Profiling-Analyse von translatierten circRNA-Molekülen

Das Ribosomen-Profiling hat sich schnell zu einem weit verbreiteten Werkzeug entwickelt, um vielfältige und komplexe biologische Probleme zu verstehen. Es hat eine Reihe von Anwendungen, von einem breiten proteomischen Werkzeug bis hin zu einer spezifischen Untersuchung der Translation in einem in vivo Setting. Die Anwendung der Ribosomenanalyse in der Translation kann genau und quantitativ beschreiben, was Zellen übersetzen, wie die Translation reguliert wird und wann und wo die Translation stattfindet. Die reiche und quantitative Natur der Ribo-seq-Daten bietet eine beispiellose Gelegenheit, komplexe Übersetzungsprozesse zu erkunden und zu simulieren. Wir glauben, dass das Ribosomen-Profiling wertvolle Ressourcen für ein vertieftes Verständnis von Herzkrankheiten des Menschen und deren vielfältigen potenziellen Mechanismen bieten wird.

Referenzen:

1. VanInsberghe, Michael et al. "Einzelzell-Ribo-seq zeigt zellzyklusabhängiges translationales Pausieren." Natur Bd. 597,7877 (2021): 561-565.
2. Brar, Gloria A, und Jonathan S Weissman. "Ribosomen-Profiling zeigt das Was, Wann, Wo und Wie der Proteinsynthese." Naturwissenschaftliche Rezensionen. Molekulare Zellbiologie Bd. 16,11 (2015): 651-64.
3. Yan, Youchen u. a. "Die kardiologische Translationlandschaft zeigt, dass Mikropeptide neue Akteure sind, die an der Hypertrophie von Kardiomyozyten beteiligt sind." Molekulare Therapie: die Zeitschrift der American Society of Gene Therapy Bd. 29,7 (2021): 2253-2267.
4. van Heesch, Sebastiaan u. a. "Die translatonale Landschaft des menschlichen Herzens." Zellvolumen 178,1 (2019): 242-260.e29.