Ukryty mechanizm tworzenia genów

Nowe badanie ujawnia mechanizm generowania homologów DNA, które mogą dać początek nowym genom mikroRNA, rzucając światło na pochodzenie genów i potencjalnie wpływając na naszą wiedzę o strukturach RNA.

Naukowcy z Uniwersytetu w Helsinkach odkryli mechanizm powodujący natychmiastowy poród DNA homologów, co może prowadzić do powstania nowych genów mikroRNA z niekodujących sekwencji DNA. Odkrycia tego dokonano podczas badania błędów replikacji DNA i ich wpływu na nie RNA Struktury molekularne dostarczają nowego wglądu w pochodzenie genów.

Złożoność żywych organizmów jest zakodowana w ich genach, ale skąd te geny pochodzą? Naukowcy z Uniwersytetu w Helsinkach rozwiązali nierozstrzygnięte pytania dotyczące pochodzenia małych genów regulatorowych i opisali mechanizm tworzący ich homologię DNA. W odpowiednich warunkach homologi te rozwijają się w geny mikroRNA.

Geny i białka: elementy składowe życia

Genom człowieka zawiera ok. Do budowy białek wykorzystuje się 20 000 genów. Działania tych klasycznych genów są koordynowane przez tysiące genów regulatorowych, z których najmniejsze kodują cząsteczki mikroRNA o długości 22 par zasad. Chociaż liczba genów pozostaje względnie stała, czasami w trakcie ewolucji pojawiają się nowe geny. Podobnie jak pochodzenie życia biologicznego, pochodzenie nowych genów nadal fascynuje naukowców.

Rozwiąż zagadkę naprzemienną

Wszystkie cząsteczki RNA wymagają naprzemiennych zestawów zasad, które blokują cząsteczkę w jej funkcjonalnej formie. Co ważne, szanse na przypadkowe mutacje zasad tworzące takie stopniowo zmieniające się szlaki są bardzo małe, nawet w przypadku prostych genów mikroRNA. Dlatego pochodzenie tych naprzemiennych sekwencji zaintrygowało badaczy. Eksperci z Instytutu Biotechnologii Uniwersytetu Helsińskiego w Finlandii rozwiązali tę zagadkę, opisując mechanizm, który może błyskawicznie wygenerować kompletne homologi DNA, tworząc w ten sposób nowe geny mikroRNA z wcześniej niekodujących sekwencji DNA.

Wgląd w replikację DNA

W projekcie finansowanym przez Akademię Fińską naukowcy badali błędy w replikacji DNA. Ari Luitinoja, lider projektu, porównuje replikację DNA z drukowaniem tekstu.

„DNA jest kopiowane jedna zasada na raz, a mutacje to zazwyczaj pojedyncze błędne zasady, jak błędne uderzenia na klawiaturze laptopa. Badaliśmy mechanizm, który prowadzi do większych błędów, takich jak kopiowanie i wklejanie tekstu z innego kontekstu. Byliśmy szczególnie zainteresowani gdy skopiowałeś tekst wstecz, tworząc tekst symetryczny.

Naukowcy zbadali mechanizm błędów w replikacji DNA i zaobserwowali, że niektóre błędy tworzą homologi, które mogą przekształcić się w struktury typu spinki do włosów. Źródło: Ari Löytynoja

Struktury RNA i błędy DNA.

Naukowcy zdali sobie sprawę, że błędy replikacji DNA mogą czasami być korzystne. Opisali te odkrycia Mikko Freelanderowi, ekspertowi w dziedzinie biologii RNA. Od razu dostrzegł związek ze strukturą cząsteczek RNA.

„W cząsteczce RNA zasady sąsiednich homologów mogą łączyć się w pary i tworzyć struktury przypominające spinki do włosów. Takie struktury są niezbędne dla funkcjonowania cząsteczek RNA” – wyjaśnia.

Naukowcy postanowili skupić się na genach mikroRNA ze względu na ich prostą strukturę: geny są bardzo krótkie – zaledwie kilkadziesiąt zasad – i aby prawidłowo funkcjonować, muszą złożyć się w strukturę typu spinki do włosów.

Główną ideą było modelowanie historii genów przy użyciu niestandardowego algorytmu komputerowego. Według badaczki ze stopniem doktora Helle Monteinen umożliwia to jak dotąd najściślejsze zbadanie pochodzenia genów.

„Znane są kompletne genomy kilkudziesięciu naczelnych i ssaków. Porównanie ich genomów ujawnia Klasyfikować Posiadają palindromową parę mikroRNA, której im brakuje. „Dzięki szczegółowemu modelowaniu historii możemy zobaczyć, że w wyniku pojedynczych mutacji powstają kompletne homologi” – mówi Montinen.

Podstawową ideą było modelowanie historii genów przy użyciu informacji od pokrewnych gatunków. Modelowanie wykazało, że homologi genów mikroRNA powstają w wyniku pojedynczych mutacji. Źródło: Ari Löytynoja

Archeologia i kosmopolityzm

Koncentrując się na ludziach i innych naczelnych, naukowcy z Helsinek wykazali, że nowo odkryty mechanizm może wyjaśnić co najmniej jedną czwartą nowych genów mikroRNA. Ponieważ podobne przypadki znaleziono w innych liniach ewolucyjnych, mechanizm pochodzenia wydaje się uniwersalny.

W zasadzie pojawienie się genów mikroRNA jest tak łatwe, że nowe geny mogą mieć wpływ na zdrowie człowieka. Helle Montinen widzi wagę pracy na szerszą skalę, na przykład w zakresie zrozumienia podstawowych zasad życia biologicznego.

„Pojawienie się nowych genów z niczego zadziwiło badaczy. Mamy teraz elegancki model ewolucji genów RNA.”

Chociaż odkrycia opierają się na małych genach regulatorowych, naukowcy uważają, że można je uogólnić na inne geny i cząsteczki RNA. Na przykład, wykorzystując surowce generowane przez nowo odkryty mechanizm, dobór naturalny może stworzyć bardziej złożone struktury i funkcje RNA.

Badanie zostało opublikowane w Z ludźmi.

Odniesienie: „Generacja de novo miRNA z przełączania szablonów podczas replikacji DNA”, Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander i Ari Löytynoja, 29 listopada 2023 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
doi: 10.1073/pnas.2310752120