Skrytý mechanismus tvorby genů

Vědci z Helsinské univerzity objevili mechanismus, který generuje okamžitý porod DNA homology, což může vést k vytvoření nových mikroRNA genů z nekódujících sekvencí DNA. Tento objev byl učiněn při studiu chyb replikace DNA a jejich vlivu na ni RNA Molekulární struktury, poskytuje nový pohled na původ genů.

Složitost živých organismů je zakódována v jejich genech, ale odkud tyto geny pocházejí? Vědci z Helsinské univerzity vyřešili dosud nevyřešené otázky o původu malých regulačních genů a popsali mechanismus, který vytváří jejich homologii DNA. Za správných podmínek se z těchto homologů vyvinou geny microRNA.

Geny a proteiny: stavební kameny života

Lidský genom obsahuje cca. Ke stavbě proteinů se používá 20 000 genů. Působení těchto klasických genů je koordinováno tisíci regulačních genů, z nichž nejmenší kóduje molekuly mikroRNA o délce 22 párů bází. Zatímco počet genů zůstává relativně konstantní, někdy se během evoluce objeví geny nové. Stejně jako původ biologického života i původ nových genů stále fascinuje vědce.

Vyřešte střídavou hádanku

Všechny molekuly RNA vyžadují střídající se sady bází, které uzamknou molekulu do její funkční formy. Důležité je, že šance na náhodné základní mutace tvořící takové progresivně se střídající dráhy jsou velmi malé, dokonce i pro jednoduché geny microRNA. Původ těchto střídavých sekvencí proto výzkumníky zmátl. Odborníci z Institutu biotechnologie na Helsinské univerzitě ve Finsku tuto hádanku vyřešili a popsali mechanismus, který dokáže okamžitě generovat kompletní homology DNA, a tak vytvořit nové geny mikroRNA z dříve nekódujících sekvencí DNA.

Pohledy do replikace DNA

V projektu financovaném Finskou akademií vědci studovali chyby v replikaci DNA. Ari Luitinoja, vedoucí projektu, přirovnává replikaci DNA k tisku textu.

„DNA se kopíruje jednu bázi po druhé a mutace jsou obvykle jednotlivé nesprávné báze, jako jsou chybné tahy na klávesnici notebooku. Studovali jsme mechanismus, který vede k větším chybám, jako je kopírování a vkládání textu z jiného kontextu. Zajímali jsme se zejména když jste text zkopírovali pozpátku, takže vytvoří symetrický text.

Výzkumníci studovali chybový mechanismus při replikaci DNA a pozorovali, že některé chyby vytvářejí homology, které se mohou transformovat do vlásenkových struktur. Kredit: Ari Löytynoja

Struktury RNA a chyby DNA.

Vědci si uvědomili, že chyby replikace DNA mohou být někdy prospěšné. Tyto poznatky popsali Mikko Freelanderovi, expertovi na biologii RNA. Okamžitě viděl souvislost se strukturou molekul RNA.

„V molekule RNA se mohou báze sousedních homologů párovat a vytvářet struktury podobné vlásenkám. Takové struktury jsou nezbytné pro funkci molekul RNA,“ vysvětluje.

Vědci se rozhodli zaměřit na geny mikroRNA kvůli jejich jednoduché struktuře: Geny jsou velmi krátké – jen několik desítek bází – a musí se skládat do vlásenky, aby správně fungovaly.

Ústřední myšlenkou bylo modelovat genovou historii pomocí vlastního počítačového algoritmu. Podle postdoktorandské výzkumnice Helle Monteinenové to umožňuje dosud nejblíže zkoumat původ genů.

„Jsou známy kompletní genomy desítek primátů a savců. Porovnání jejich genomů odhalí, které z nich Klasifikovat Má palindromový pár mikroRNA, který mu chybí. „Podrobným modelováním historie můžeme vidět, že kompletní homology jsou vytvářeny událostmi jediné mutace,“ říká Montinen.

Základní myšlenkou bylo modelovat genovou historii pomocí informací od příbuzných druhů. Modelování ukázalo, že homology mikroRNA genů jsou generovány událostmi jediné mutace. Kredit: Ari Löytynoja

Archeologie a kosmopolitismus

Zaměřením na lidi a další primáty vědci v Helsinkách prokázali, že nově objevený mechanismus by mohl vysvětlit nejméně čtvrtinu nových genů microRNA. Vzhledem k tomu, že podobné případy byly nalezeny v jiných evolučních liniích, mechanismus vzniku se zdá být univerzální.

V zásadě je vznik mikroRNA genů tak snadný, že nové geny mohou ovlivnit lidské zdraví. Helle Montinen vidí důležitost práce ve větším měřítku, například v pochopení základních principů biologického života.

„Vznik nových genů z ničeho ohromil výzkumníky. Nyní máme elegantní model pro evoluci genů RNA.“

Přestože jsou zjištění založena na malých regulačních genech, vědci se domnívají, že zjištění lze zobecnit na jiné geny a molekuly RNA. Například pomocí surovin generovaných nově objeveným mechanismem může přirozený výběr vytvořit složitější struktury a funkce RNA.

Studie byla zveřejněna v S lidmi.

Odkaz: „De novo generování miRNA z přepínání templátů během replikace DNA“ od Heli AM Mönttinena, Mikko J. Frilandera a Ari Löytynoja, 29. listopadu 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
doi: 10.1073/pnas.2310752120