A tudósok megfejtik a fajok között rejtőző, titokzatos DNS-szabályokat

Új kutatások kimutatták, hogy a „véletlenszerű DNS” aktívan átíródik az élesztőben, de az emlőssejtekben nagyrészt inaktív marad, annak ellenére, hogy mindkét organizmusnak közös őse és molekuláris gépezete van. Ez a tanulmány egy szintetikus gént fordított sorrendben vitt be élesztő és egér őssejtekbe, ami jelentős különbségeket tárt fel a transzkripciós aktivitásban. Az eredmények azt mutatják, hogy míg az élesztősejtek szinte az összes gént átírják, az emlőssejtek természetesen elnyomják a transzkripciót. Ez a kutatás nemcsak a fajok közötti géntranszkripció megértését kérdőjelezi meg, hanem a géntechnológia jövőjére és új gének felfedezésére is hatással van.

Egy új tanulmány kimutatta, hogy az egysejtű gombákban az élesztő „véletlenszerű”. DNS„Természetesen aktív, míg az emlőssejtekben ez a DNS természetes állapotaként ki van kapcsolva az emlőssejtekben, annak ellenére, hogy egymilliárd évvel ezelőtt volt közös őse, és ugyanaz az alapvető molekuláris gépezet.

Az új felfedezés az a folyamat körül forog, amelynek során a DNS genetikai utasításait először egy rokon anyaggá alakítják, az úgynevezett… RNS És akkor a fehérjékhez, amelyek a test szerkezetét és jeleit alkotják. Élesztőben, egerben és emberben a génexpresszió első lépése, a transzkripció zajlik, melynek során a DNS molekuláris „betűit” (nukleobázisokat) egy irányba olvassák. Míg az emberi genom 80%-a – a sejtjeinkben lévő teljes DNS-gyűjtemény – aktívan dekódolódik RNS-vé, valójában kevesebb mint 2%-a kódolja azokat a géneket, amelyek a fehérjék felépítését irányítják.

A genomika régóta fennálló rejtélye, hogy ez a nem génekkel kapcsolatos transzkripció mit valósít meg. Ez csak zaj, az evolúció mellékhatása, vagy vannak funkciói?

A NYU Langone Health kutatócsoportja erre a kérdésre keresett választ egy nagy szintetikus gén létrehozásával, amelynek DNS-kódja fordított sorrendben van, mint a természetes szülője. Ezután szintetikus géneket inszertáltak élesztő és egér őssejtekbe, és mindegyikükben figyelték a transzkriptum szintjét. Megjelent a folyóiratban természet, Az új tanulmány feltárja, hogy az élesztőben a genetikai rendszer úgy van beállítva, hogy szinte minden gén folyamatosan átírásra kerüljön, míg az emlőssejtekben ugyanaz az „alapértelmezett állapot” a transzkripció kikapcsolása.

Módszertan és eredmények

Érdekes módon a tanulmány szerzői azt mondják, hogy a kód fordított sorrendje azt jelentette, hogy az élesztő- és emlőssejtekben kialakult összes mechanizmus a transzkripció be- vagy kikapcsolására hiányzott, mert a fordított kód értelmetlen volt. Azonban, mint egy tükörkép, a fordított kód néhány alapvető mintát tükröz, amelyek a természetes kódban jelennek meg a DNS-betűk előfordulásának gyakorisága, a mihez közel állnak, és milyen gyakran ismétlődnek. Mivel a fordított kód 100 000 molekulabetűből áll, a csapat úgy találta, hogy véletlenszerűen sok kis szakaszt tartalmazott korábban ismeretlen kódból, amelyek valószínűleg gyakrabban kezdték meg az átírást az élesztőben, és leállították az emlőssejtekben.

„A virtuális verziók közötti különbségek megértése Osztályozás „A genetika segíteni fog abban, hogy jobban megértsük, a genetikai kód mely részei rendelkeznek funkciókkal, és melyek az evolúciós balesetek” – mondta Jeff Buckey, Ph.D., a NYU Langone Health Genetikai Intézetének igazgatója. „Ez viszont azt ígéri, hogy irányítani fogja az élesztőprogramot új gyógyszerek előállításához, új génterápiák létrehozásához, vagy akár segít megtalálni a hatalmas kódban eltemetett új géneket.”

Ez a munka súlyt ad annak az elméletnek, miszerint az élesztő nagyon aktív transzkripciós állapota olyan finoman hangolt, hogy az élesztőbe ritkán injektálnak idegen DNS-t, például vírus Mivel önmagát másolja, nagyobb valószínűséggel íródik át RNS-be. Ha ez az RNS hasznos funkciójú fehérjét épít fel, akkor a kód az evolúció során új génként megmarad. Ellentétben az élesztőben lévő egysejtű szervezetekkel, amelyek kockázatos új géneket engedhetnek meg maguknak, amelyek gyorsabban hajtják az evolúciót, az emlőssejtek, mint a több millió együttműködő sejtet tartalmazó test részei, kevésbé szabadon építhetnek be új DNS-t minden alkalommal, amikor a sejt vírussal találkozik. Számos szabályozási mechanizmus védi a gondosan kiegyensúlyozott kódot, ahogy van.

Nagy DNS

Az új vizsgálat során figyelembe kellett venni a DNS-szálak méretét, mivel az emberi genomban 3 milliárd „betű” található, egyes gének pedig 2 millió betűsek. Míg a népszerű technikák lehetővé teszik a betűről betűre történő változtatásokat, egyes mérnöki feladatok hatékonyabbak, ha a kutatók a DNS-t a semmiből építik fel, és messzemenően megváltoztatják az előre lefordított kód nagy részét, és a sejtben helyettesítik, nem pedig a természetes megfelelőjével. Mivel az emberi gének olyan összetettek, Bucky laboratóriuma először élesztőben fejlesztette ki a „genomtipizálás” megközelítést, de nemrég módosította, hogy megfeleljen az emlős genetikai kódjának. A tanulmány szerzői élesztősejtek segítségével egyetlen lépésben hosszú DNS-szekvenciákat állítanak össze, majd egérembrionális őssejtekbe juttatják őket.

A jelenlegi tanulmányban a kutatócsoport a transzkripciós terjedés mértékének kérdésével foglalkozott az evolúció során egy szintetikus, 101 kilobázisos mesterséges DNS-szakasz – a humán hipoxantin-foszforiboziltranszferáz 1 (HPRT1) gén – beiktatásával fordított kódolási sorrendben. Megfigyelték a gén széles körben elterjedt aktivitását az élesztőben, annak ellenére, hogy hiányzik a nonszensz kód a promoterekhez, amelyek olyan DNS-részletek, amelyek a transzkripció kezdetének jelzésére fejlődtek ki.

Ezenkívül a csapat kis szekvenciákat azonosított a fordított kódban, az adenozin és timin építőelemeinek ismétlődő szakaszait, amelyekről ismert, hogy a transzkripciós faktorok felismerik, vagyis olyan fehérjék, amelyek a DNS-hez kötődnek, és elindítják a transzkripciót. Az ilyen szekvenciák, amelyek mindössze 5-15 betűből állnak, könnyen előfordulhatnak véletlenszerűen, és részben megmagyarázhatják az élesztő rendkívül aktív alapértelmezett állapotát – mondták a szerzők.

Éppen ellenkezőleg, ugyanaz a szimbólum megfordul, egér embrionális őssejtek genomjába inszertálva nem okozott kiterjedt transzkripciót. Ebben a forgatókönyvben a transzkripciót elnyomták annak ellenére, hogy a fejlett CpG-dinukleotidok, amelyekről ismert, hogy megállítják (elhallgatják) a géneket, nem voltak hatékonyak a fordított kódban. A csapat úgy véli, hogy az emlős genomjának más alapvető elemei sokkal jobban korlátozhatják a transzkripciót, mint az élesztőben, talán egy fehérjekomplex (a több CD komplex) közvetlen toborzásával, amely a géncsendesítésről ismert.

„Minél közelebb kerülünk az értelmetlen DNS „genomértékének” élő sejtekhez való bevezetéséhez, annál jobban össze tudják hasonlítani azt a tényleges, fejlődő genommal” – mondta az első szerző, Brendan Camillato, a Buckey laboratóriumának végzős hallgatója. „Ez a mesterséges sejtterápiák új határaihoz vezethet, mivel az egyre hosszabb szintetikus DNS beillesztésének képessége lehetővé teszi annak jobb megértését, hogy a beépített genom mit tolerál, és potenciálisan egy vagy több nagyobb, teljesen megtervezett gén bevonását is lehetővé teszi. ”

Hivatkozás: „A fordított szintetikus szekvenciák feltételezett genomi állapotokat tárnak fel” Brendan R. Camellato, Ran Brosh és Hannah J. Ash és Matthew T. Morano és Jeff D. Bucky, 2024. március 6. természet.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2