A génalkotás rejtett mechanizmusa

Egy új tanulmány olyan DNS-homológok előállításának mechanizmusát tárja fel, amelyek új mikroRNS-géneket hozhatnak létre, fényt derítve a gének eredetére, és potenciálisan befolyásolhatják az RNS-struktúrák megértését.

A Helsinki Egyetem kutatói olyan mechanizmust fedeztek fel, amely azonnali születést generál DNS homológok, amelyek új mikroRNS-gének létrehozásához vezethetnek nem kódoló DNS-szekvenciákból. Ezt a felfedezést a DNS-replikációs hibák és ezekre gyakorolt ​​hatásuk tanulmányozása során tették RNS Molekuláris szerkezetek, új betekintést nyújt a gének eredetébe.

Az élő szervezetek összetettsége a génjeikben van kódolva, de honnan származnak ezek a gének? A Helsinki Egyetem kutatói megoldották a kis szabályozó gének eredetével kapcsolatos kiemelkedő kérdéseket, és leírták a DNS-homológiájukat létrehozó mechanizmust. Megfelelő körülmények között ezek a homológok mikroRNS génekké fejlődnek.

Gének és fehérjék: az élet építőkövei

Az emberi genom kb. 20 000 gént használnak fel fehérjék felépítésére. Ezeknek a klasszikus géneknek a működését szabályozó gének ezrei koordinálják, amelyek közül a legkisebbek 22 bázispár hosszúságú mikroRNS-molekulákat kódolnak. Míg a gének száma viszonylag állandó marad, néha új gének jelennek meg az evolúció során. A biológiai élet eredetéhez hasonlóan az új gének eredete továbbra is lenyűgözi a tudósokat.

Oldja meg a váltakozó rejtvényt

Minden RNS-molekulához váltakozó báziskészletekre van szükség, amelyek a molekulát funkcionális formájába zárják. Fontos, hogy a véletlenszerű bázismutációk ilyen fokozatosan váltakozó útvonalakat kialakító esélye nagyon kicsi, még egyszerű mikroRNS-gének esetében is. Ezért ezeknek a váltakozó szekvenciáknak az eredete megzavarta a kutatókat. A finn Helsinki Egyetem Biotechnológiai Intézetének szakértői megoldották ezt a rejtvényt, és olyan mechanizmust írnak le, amely azonnal képes teljes DNS-homológokat generálni, így új mikroRNS-géneket hozhat létre korábban nem kódoló DNS-szekvenciákból.

Betekintés a DNS-replikációba

A Finn Akadémia által finanszírozott projektben a kutatók a DNS-replikáció hibáit vizsgálták. Ari Luitinoja, a projekt vezetője a DNS-replikációt a szövegnyomtatáshoz hasonlítja.

„A DNS-t egy-egy bázis másolja át, és a mutációk általában egyetlen rossz bázis, például egy laptop billentyűzetének elhibázott vonásai. Olyan mechanizmusokat tanulmányoztunk, amelyek nagyobb hibákhoz vezetnek, például szöveg másolása és beillesztése egy másik kontextusból. Különösen érdekelt minket ha a szöveget visszafelé másolta, hogy szimmetrikus szöveget hozzon létre.

A kutatók a DNS-replikáció hibamechanizmusát tanulmányozták, és megfigyelték, hogy egyes hibák olyan homológokat hoznak létre, amelyek hajtűszerkezetekké alakulhatnak át. Kredit: Ari Löytynoja

RNS szerkezetek és DNS hibák.

A kutatók rájöttek, hogy a DNS-replikációs hibák néha előnyösek lehetnek. Ezeket az eredményeket ismertették Mikko Freelandernek, az RNS-biológia szakértőjének. Azonnal meglátta a kapcsolatot az RNS-molekulák szerkezetével.

„Az RNS-molekulában a szomszédos homológok bázisai párosodhatnak, és hajtűszerű struktúrákat alkothatnak. Az ilyen struktúrák elengedhetetlenek az RNS-molekulák működéséhez” – magyarázza.

A kutatók úgy döntöttek, hogy a mikroRNS-génekre összpontosítanak egyszerű szerkezetük miatt: a gének nagyon rövidek – mindössze néhány tucat bázisból állnak –, és hajtűs szerkezetté kell összehajtogatniuk, hogy megfelelően működjenek.

A központi ötlet a géntörténet modellezése volt egy egyedi számítógépes algoritmus segítségével. Helle Monteinen posztdoktori kutató szerint ez lehetővé teszi a gének eredetének eddigi legszorosabb vizsgálatát.

„Több tucat főemlős és emlős teljes genomja ismert. Genomjaik összehasonlítása feltárja Osztályozás Rendelkeznek egy palindrom mikroRNS-párral, amely hiányzik belőlük. „Az előzmények részletes modellezésével láthatjuk, hogy a teljes homológok egyetlen mutációval jönnek létre” – mondja Montinen.

Az alapötlet a géntörténet modellezése volt a rokon fajoktól származó információk felhasználásával. A modellezés kimutatta, hogy a mikroRNS gének homológjait egyetlen mutációs esemény generálja. Kredit: Ari Löytynoja

Régészet és kozmopolitizmus

Az emberekre és más főemlősökre összpontosítva a helsinki kutatók bebizonyították, hogy az újonnan felfedezett mechanizmus az új mikroRNS-gének legalább egynegyedét megmagyarázhatja. Mivel más evolúciós vonalakban is találtak hasonló eseteket, az eredet mechanizmusa univerzálisnak tűnik.

Elvileg a mikroRNS-gének megjelenése olyan egyszerű, hogy az új gének hatással lehetnek az emberi egészségre. Helle Montinen fontosnak tartja a nagyobb léptékű munkát, például a biológiai élet alapelveinek megértésében.

„Az új gének a semmiből való megjelenése megdöbbentette a kutatókat. Most egy elegáns modellünk van az RNS-gének evolúciójához.”

Bár az eredmények kis szabályozó géneken alapulnak, a kutatók úgy vélik, hogy az eredmények más génekre és RNS-molekulákra is általánosíthatók. Például az újonnan felfedezett mechanizmus által generált nyersanyagok felhasználásával a természetes szelekció összetettebb RNS-struktúrákat és funkciókat hozhat létre.

A tanulmány ben jelent meg Emberekkel.

Hivatkozás: „MiRNS-ek de novo generálása templátváltásból DNS-replikáció során”, Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander és Ari Löytynoja, 2023. november 29. Proceedings of the National Academy of Sciences.
doi: 10.1073/pnas.2310752120