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# Biologie# Microbiologie

Riboswitches : Acteurs Clés dans la Régulation Génétique

Les riboswitches détectent des molécules pour réguler l'expression des gènes, ouvrant de nouvelles pistes de recherche.

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Les Riboswitches sont des parties importantes de l'ARN qui aident à gérer l'activité des gènes dans plein d'organismes vivants. Ils peuvent détecter des Petites molécules spécifiques et changer comment les gènes fonctionnent en réponse. On les trouve dans les régions non codantes de l'ARNm, et ils sont conçus pour se lier à différents types de petites molécules. Au cours des vingt dernières années, on a beaucoup appris sur ces structures, leurs rôles et leur fonctionnement.

Les riboswitches sont compacts et agissent rapidement. Ils contrôlent souvent des processus cruciaux chez les organismes et peuvent fonctionner de manière complexe. À cause de ces caractéristiques, les chercheurs explorent comment utiliser les riboswitches dans divers domaines, comme la création de capteurs, la construction de systèmes d'expression génique élaborés et le développement de nouveaux médicaments ou traitements antimicrobiens. Pourtant, on a encore une compréhension limitée de comment les riboswitches fonctionnent dans de vraies cellules vivantes.

Différentes méthodes ont été utilisées pour étudier les riboswitches, révélant un schéma général de comment ils contrôlent l'expression des gènes. Quand une petite molécule se lie au riboswitch, ça stabilise une forme spécifique dans l'ARN. Ce changement de forme peut alors modifier l'expression du gène. Les changements dans le riboswitch peuvent soit cacher, soit révéler des parties clés du système de contrôle des gènes, comme les terminateurs ou les sites de début de traduction.

Parfois, les riboswitches ont des fonctions au-delà de l'interaction avec ces régions de contrôle immédiates. Par exemple, certains riboswitches peuvent contrôler comment l'ARNm est épissé, recruter des enzymes pour dégrader l'ARN, ou influencer des sites de liaison pour d'autres protéines. Beaucoup d'autres exemples montrent à quel point la régulation par les riboswitches peut être variée, et on en sait encore peu sur toutes les façons dont ils peuvent contrôler l'activité des gènes.

Pour bien comprendre comment fonctionnent les riboswitches dans différents microorganismes, il faut mieux saisir les diverses méthodes de régulation qu'ils utilisent. Les avancées dans l'analyse informatique ont aidé les chercheurs à identifier des séquences de riboswitches potentielles. Cependant, trouver un riboswitch qui se lie à une certaine molécule ne révèle pas automatiquement comment il fonctionne dans les cellules vivantes. Les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques pour prédire comment différents riboswitches pourraient modifier l'expression des gènes en fonction de changements dans leurs formes et des petites molécules auxquelles ils se lient. Mais ces méthodes ratent souvent de capturer directement l'activité des cellules vivantes.

Pour combler cette lacune, un nouvel outil appelé TaRTLEt a été développé. Cet outil aide à identifier les riboswitches qui changent comment la Transcription est arrêtée en utilisant des méthodes computationnelles avancées et des données RNA-seq, qui fournissent des informations sur comment les gènes sont exprimés. L'idée est que différentes conditions peuvent influencer la quantité d'une petite molécule présente, affectant l'activité des riboswitches. Quand les chercheurs ont testé différentes conditions, ils s'attendaient à voir des motifs spécifiques dans les données RNA-seq qui suggèrent comment les riboswitches fonctionnaient.

Dans la recherche mise en avant ici, TaRTLEt a été mis à l'épreuve en utilisant des données disponibles publiquement. En examinant les motifs dans les ensembles de données RNA-seq, les chercheurs ont découvert que l'outil pouvait identifier avec précision les riboswitches qui régulent l'expression des gènes en modifiant la terminaison de transcription. Les résultats étaient en accord avec des découvertes de laboratoire précédentes.

Comprendre la Structure et le Fonctionnement des Riboswitches

Les riboswitches sont généralement liés au début des gènes, ce qui signifie qu'ils peuvent aider à identifier de nouveaux ARN régulateurs dans une section d'ARN. Un riboswitch situé dans la région non traduite (UTR) d'un gène devrait montrer des motifs d'expression génique différents quand le riboswitch est dans un état "ON" par rapport à un état "OFF".

Dans l'état OFF, les riboswitches devraient créer des structures empêchant une transcription ultérieure, entraînant des produits d'ARN plus courts. En revanche, quand ils sont dans l'état ON, le riboswitch permet à la transcription de continuer dans le segment suivant du gène, produisant des transcrits d'ARN plus longs. Ce genre de comportement correspond à la manière dont les riboswitches peuvent contrôler l'expression des gènes en fonction de la présence de petites molécules spécifiques.

Le Processus de Mesure de l'Activité des Riboswitches

Quand ils étudient les riboswitches, les scientifiques regardent comment les fragments d'ARN sont distribués. Chaque morceau d'ARN est représenté dans les données RNA-seq, mais comme ces transcrits sont souvent cassés en plus petits morceaux, les chercheurs ne voient que les extrémités de ces fragments. Cependant, quand l'ARN est découpé en morceaux, les extrémités de ces morceaux peuvent fournir des informations précieuses.

TaRTLEt analyse ces extrémités de fragments, cherchant des motifs qui indiquent l'activité des riboswitches. En se concentrant sur les données RNA-seq en paires, où les deux extrémités des fragments d'ARN sont séquencées, les chercheurs peuvent obtenir des informations plus fiables. TaRTLEt utilise une méthode appelée convolution pour traiter les données, permettant aux chercheurs de filtrer le bruit et d'isoler des signaux significatifs qui représentent des événements potentiels de terminaison de transcription.

En utilisant cette technique, les chercheurs peuvent suivre quand et où les riboswitches sont susceptibles d'arrêter la transcription en surveillant les changements dans la couverture de l'ARN à travers différentes conditions. Ils peuvent comparer ces motifs à travers différentes expériences, leur permettant de tirer des conclusions sur l'activité des riboswitches.

La Mise en Œuvre de TaRTLEt

L'outil TaRTLEt est conçu pour fonctionner avec des données RNA-seq et ne nécessite pas de compétences avancées en programmation pour être utilisé. Les chercheurs peuvent entrer des séquences non annotées, et l'outil identifiera des emplacements potentiels de riboswitches pour une analyse plus approfondie. En analysant les données RNA-seq, TaRTLEt aide les scientifiques à comprendre comment les riboswitches régulent l'expression des gènes dans des conditions réelles.

Une fois les données traitées, TaRTLEt génère des visualisations, permettant aux utilisateurs de voir comment l'activité des riboswitches varie à travers différentes conditions. Cela permet aux chercheurs d'évaluer rapidement la fiabilité de leurs résultats.

Tester TaRTLEt Contre des Riboswitches Connus

Pour valider l'efficacité de TaRTLEt, les chercheurs l'ont appliqué à des ensembles de données RNA-seq de divers microorganismes. Ils ont réussi à traiter des ensembles de données de plusieurs espèces et à vérifier les résultats par rapport à des riboswitches bien caractérisés. Dans de nombreux cas, ils ont découvert que les motifs d'activité identifiés par TaRTLEt correspondaient bien aux informations déjà connues sur le fonctionnement de ces riboswitches.

D'un autre côté, certains riboswitches n'ont pas montré de signes de régulation par terminaison de transcription dans les conditions testées. Cela montre que, bien que TaRTLEt soit un outil précieux, il peut y avoir des cas où les riboswitches fonctionnent par différents mécanismes ou où les conditions expérimentales ne révèlent pas leur activité.

Faits Marquants des Découvertes

L'une des découvertes de cette recherche est que les riboswitches peuvent afficher différents niveaux d'activité en fonction de la concentration des petites molécules auxquelles ils se lient. Par exemple, les riboswitches TPP sont connus pour être courants dans de nombreux organismes mais réagissent souvent différemment selon les conditions.

Les riboswitches contrôlant l'utilisation du cobalamine, une autre molécule courante, montrent des comportements divers à travers différentes espèces. Dans certains cas, des riboswitches qui devraient normalement réguler la transcription dans certains types de bactéries le font en des manières inattendues, mettant en lumière la complexité de la régulation des gènes.

La recherche a aussi identifié des riboswitches qui n'avaient pas été bien étudiés auparavant, montrant que TaRTLEt pourrait aider à découvrir de nouvelles informations sur leurs fonctions. Par exemple, un riboswitch spécifique responsable de la régulation du molybdène pourrait influencer la terminaison de transcription de façons encore non comprises.

Conclusion

Les riboswitches jouent un rôle crucial dans la manière dont les gènes sont régulés chez divers organismes. Ils peuvent détecter des petites molécules et répondre en changeant l'expression des gènes voisins. Le développement d'outils comme TaRTLEt permet aux chercheurs d'analyser de grands ensembles de données et d'identifier efficacement l'activité des riboswitches.

À mesure que de plus en plus de données RNA-seq deviennent disponibles, TaRTLEt peut aider à explorer davantage les complexités des riboswitches. Les connaissances acquises grâce à cette recherche peuvent finalement améliorer notre compréhension de la régulation des gènes et aider à identifier de nouvelles cibles thérapeutiques, soulignant l'importance des riboswitches en biologie.

Source originale

Titre: TaRTLEt: Transcriptionally-active Riboswitch Tracer Leveraging Edge deTection

Résumé: Structured RNAs have emerged as a major component of cellular regulatory systems, but their mechanism of action is often poorly understood. Riboswitches are structured RNAs that allosterically regulate gene expression through any of several different mechanisms. In vitro approaches to characterizing mechanism are costly, low-throughput, and must be repeated for each individual riboswitch locus of interest. Bioinformatic methods promise higher throughput; despite robust computational identification of riboswitches, however, computational classification of riboswitch mechanism has so far been both model-bound, relying on identification of sequence motifs known to be required for specific models of riboswitch activity, and empirically untested, with predictions far outpacing biological validation. Here, we introduce TaRTLEt (Transcriptionally-active Riboswitch Tracer Leveraging Edge deTection), a new high-throughput tool that recovers in vivo patterns of riboswitch-mediated transcription termination from paired-end RNA-seq data using edge detection methods. TaRTLEt successfully extracts transcription termination signals despite numerous sources of biological and technical noise. We tested the effectiveness of TaRTLEt on riboswitches identified from a wide range of sequenced bacterial taxa by utilizing publicly available paired-end RNA-seq readsets, finding broad agreement with previously published in vitro characterization results. In addition, we use TaRTLEt to infer the in vivo regulatory mechanism of uncharacterized riboswitch loci from existing public data. TaRTLEt is available on GitHub and can be applied to paired-end RNA-seq datasets from isolates or complex communities.

Auteurs: Sarah C. Bagby, S. Kshatriya

Dernière mise à jour: 2024-10-16 00:00:00

Langue: English

Source URL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.15.618519

Source PDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.10.15.618519.full.pdf

Licence: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Changements: Ce résumé a été créé avec l'aide de l'IA et peut contenir des inexactitudes. Pour obtenir des informations précises, veuillez vous référer aux documents sources originaux dont les liens figurent ici.

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