Οι επιστήμονες αποκρυπτογραφούν τους μυστηριώδεις κανόνες DNA που κρύβονται στα διάφορα είδη

Μια νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι στους μονοκύτταρους μύκητες η μαγιά είναι «τυχαία». DNA«Φυσικά ενεργό, ενώ στα κύτταρα θηλαστικών, αυτό το DNA είναι απενεργοποιημένο ως φυσική του κατάσταση στα κύτταρα θηλαστικών, παρά το γεγονός ότι είχε έναν κοινό πρόγονο πριν από ένα δισεκατομμύριο χρόνια και τον ίδιο βασικό μοριακό μηχανισμό.

Η νέα ανακάλυψη περιστρέφεται γύρω από τη διαδικασία με την οποία οι γενετικές οδηγίες του DNA μετατρέπονται αρχικά σε μια σχετική ουσία που ονομάζεται… RNA Και μετά στις πρωτεΐνες που συνθέτουν τις δομές και τα σήματα του σώματος. Σε ζυμομύκητες, ποντίκια και ανθρώπους, το πρώτο βήμα στη γονιδιακή έκφραση, η μεταγραφή, λαμβάνει χώρα στο οποίο τα μοριακά «γράμματα» του DNA (νουκλεοβάσεις) διαβάζονται προς μία κατεύθυνση. Ενώ το 80% του ανθρώπινου γονιδιώματος – ολόκληρη η συλλογή του DNA στα κύτταρά μας – κωδικοποιείται αποτελεσματικά σε RNA, λιγότερο από το 2% του κωδικοποιεί πραγματικά τα γονίδια που κατευθύνουν την κατασκευή των πρωτεϊνών.

Ένα μακροχρόνιο μυστήριο στη γονιδιωματική είναι αυτό που επιτυγχάνει όλη αυτή η μεταγραφή που δεν σχετίζεται με γονίδια. Είναι απλώς θόρυβος, παρενέργεια της εξέλιξης ή έχει λειτουργίες;

Μια ερευνητική ομάδα στο NYU Langone Health προσπάθησε να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα δημιουργώντας ένα μεγάλο συνθετικό γονίδιο, με τον κωδικό DNA του σε αντίστροφη σειρά από τον φυσικό του γονέα. Στη συνέχεια εισήγαγαν συνθετικά γονίδια σε βλαστοκύτταρα ζύμης και ποντικού και παρακολούθησαν τα επίπεδα μεταγραφής σε καθένα. Δημοσιεύτηκε στο περιοδικό φύση, Η νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι στη ζύμη το γενετικό σύστημα είναι συντονισμένο έτσι ώστε σχεδόν όλα τα γονίδια να μεταγράφονται συνεχώς, ενώ στα κύτταρα θηλαστικών η ίδια «προεπιλεγμένη κατάσταση» είναι να απενεργοποιείται η μεταγραφή.

Μεθοδολογία και αποτελέσματα

Είναι ενδιαφέρον, λένε οι συγγραφείς της μελέτης, ότι η αντίστροφη σειρά του κώδικα σήμαινε ότι όλοι οι μηχανισμοί που εξελίχθηκαν σε κύτταρα ζυμομύκητα και θηλαστικών για να ενεργοποιήσουν ή να απενεργοποιήσουν τη μεταγραφή απουσίαζαν επειδή ο αντίστροφος κώδικας ήταν ανοησία. Ωστόσο, όπως μια εικόνα καθρέφτη, ο αντίστροφος κώδικας αντικατοπτρίζει μερικά από τα βασικά μοτίβα που εμφανίζονται στον φυσικό κώδικα όσον αφορά τη συχνότητα παρουσίας των γραμμάτων DNA, το τι είναι κοντά και το πόσο συχνά επαναλαμβάνονται. Επειδή ο αντίστροφος κώδικας έχει μήκος 100.000 μοριακά γράμματα, η ομάδα ανακάλυψε ότι περιελάμβανε τυχαία πολλά μικρά τμήματα προηγουμένως άγνωστου κώδικα που πιθανότατα άρχισαν τη μεταγραφή πιο συχνά σε ζυμομύκητες και τον σταμάτησαν σε κύτταρα θηλαστικών.

«Κατανόηση των διαφορών των εικονικών εκδόσεων μεταξύ τους Ταξινόμηση «Η γενετική θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα ποια μέρη του γενετικού κώδικα έχουν λειτουργίες και ποια είναι τα εξελικτικά ατυχήματα», δήλωσε ο αντίστοιχος συγγραφέας Jeff Buckey, Ph.D., διευθυντής του Ινστιτούτου Γενετικής στο NYU Langone Health. «Αυτό, με τη σειρά του, υπόσχεται να καθοδηγήσει τη μηχανική ζύμης για να φτιάξει νέα φάρμακα, να δημιουργήσει νέες γονιδιακές θεραπείες ή ακόμα και να μας βοηθήσει να βρούμε νέα γονίδια θαμμένα στον τεράστιο κώδικα».

Αυτό το έργο δίνει βάρος στη θεωρία ότι η πολύ ενεργή μεταγραφική κατάσταση της ζύμης είναι τόσο καλά συντονισμένη που σπάνια εγχέεται ξένο DNA στη ζύμη, για παράδειγμα από ιός Επειδή αντιγράφει τον εαυτό του, είναι πιο πιθανό να μεταγραφεί σε RNA. Εάν αυτό το RNA δημιουργήσει μια πρωτεΐνη με μια χρήσιμη λειτουργία, ο κώδικας θα διατηρηθεί μέσω της εξέλιξης ως νέο γονίδιο. Σε αντίθεση με τον μονοκύτταρο οργανισμό στη ζύμη, που μπορεί να προσφέρει επικίνδυνα νέα γονίδια που οδηγούν την εξέλιξη πιο γρήγορα, τα κύτταρα των θηλαστικών, ως μέρος σωμάτων που περιέχουν εκατομμύρια συνεργαζόμενα κύτταρα, είναι λιγότερο ελεύθερα να ενσωματώνουν νέο DNA κάθε φορά που το κύτταρο συναντά έναν ιό. Διάφοροι ρυθμιστικοί μηχανισμοί προστατεύουν τον προσεκτικά ισορροπημένο κώδικα ως έχει.

Μεγάλο DNA

Η νέα μελέτη έπρεπε να λάβει υπόψη το μέγεθος των κλώνων του DNA, καθώς υπάρχουν 3 δισεκατομμύρια «γράμματα» στο ανθρώπινο γονιδίωμα και ορισμένα γονίδια έχουν μήκος 2 εκατομμύρια γράμματα. Ενώ οι δημοφιλείς τεχνικές επιτρέπουν την πραγματοποίηση αλλαγών γράμμα προς γράμμα, ορισμένες εργασίες μηχανικής είναι πιο αποτελεσματικές εάν οι ερευνητές κατασκευάσουν DNA από την αρχή, κάνοντας εκτεταμένες αλλαγές σε μεγάλες επιφάνειες προμεταγλωττισμένου κώδικα και αντικαθιστώντας το σε ένα κελί και όχι σε φυσικό αντίστοιχό του. Επειδή τα ανθρώπινα γονίδια είναι τόσο πολύπλοκα, το εργαστήριο του Bucky ανέπτυξε για πρώτη φορά την προσέγγιση «γραφής γονιδιώματος» στη ζύμη, αλλά πρόσφατα την προσάρμοσε στον γενετικό κώδικα των θηλαστικών. Οι συγγραφείς της μελέτης χρησιμοποιούν κύτταρα ζυμομύκητα για να συναρμολογήσουν μεγάλες αλληλουχίες DNA σε ένα μόνο βήμα και στη συνέχεια να τις παραδώσουν σε εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα ποντικού.

Για την τρέχουσα μελέτη, η ερευνητική ομάδα αντιμετώπισε το ζήτημα της έκτασης της μεταγραφικής εξάπλωσης σε όλη την εξέλιξη εισάγοντας ένα συνθετικό τμήμα 101-kilobase κατασκευασμένου DNA – το γονίδιο ανθρώπινης υποξανθίνης φωσφοριβοσυλοτρανσφεράσης 1 (HPRT1) με αντίστροφη κωδικοποιητική σειρά. Παρατήρησαν ευρεία δραστηριότητα του γονιδίου σε ζυμομύκητες, παρά την έλλειψη ανόητου κώδικα για υποκινητές, που είναι αποσπάσματα DNA που έχουν εξελιχθεί για να σηματοδοτήσουν την έναρξη της μεταγραφής.

Επιπλέον, η ομάδα εντόπισε μικρές αλληλουχίες στον αντίστροφο κώδικα, επαναλαμβανόμενες εκτάσεις δομικών στοιχείων αδενοσίνης και θυμίνης, που είναι γνωστό ότι αναγνωρίζονται από μεταγραφικούς παράγοντες, οι οποίοι είναι πρωτεΐνες που συνδέονται με το DNA για να ξεκινήσουν τη μεταγραφή. Τέτοιες αλληλουχίες, οι οποίες έχουν μήκος μόνο 5 έως 15 γράμματα, μπορούν εύκολα να εμφανιστούν τυχαία και μπορεί εν μέρει να εξηγήσουν την εξαιρετικά ενεργή προεπιλεγμένη κατάσταση της ζύμης, είπαν οι συγγραφείς.

Αντίθετα, το ίδιο σύμβολο αντιστρέφεται, Εισήχθη στο γονιδίωμα των εμβρυϊκών βλαστοκυττάρων ποντικού, δεν προκάλεσε εκτεταμένη μεταγραφή. Σε αυτό το σενάριο, η μεταγραφή κατεστάλη παρόλο που τα προηγμένα δινουκλεοτίδια CpG, που είναι γνωστό ότι σταματούν (σιωπούν) γονίδια, δεν ήταν αποτελεσματικά στον αντίστροφο κώδικα. Η ομάδα πιστεύει ότι άλλα βασικά στοιχεία στο γονιδίωμα των θηλαστικών μπορεί να περιορίσουν τη μεταγραφή πολύ περισσότερο από ό,τι στη ζύμη, ίσως στρατολογώντας άμεσα ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών (το σύμπλεγμα πολλαπλών CD) γνωστό για τη σίγαση γονιδίων.

«Όσο πιο κοντά φτάνουμε στην εισαγωγή της «αξίας του γονιδιώματος» του ανόητου DNA στα ζωντανά κύτταρα, τόσο καλύτερα μπορεί να συγκριθεί με το πραγματικό, εξελισσόμενο γονιδίωμα», δήλωσε ο πρώτος συγγραφέας Brendan Camillato, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Buckey. «Αυτό μπορεί να μας οδηγήσει σε νέα σύνορα μηχανικών κυτταρικών θεραπειών, καθώς η ικανότητα εισαγωγής ολοένα μεγαλύτερου συνθετικού DNA επιτρέπει την καλύτερη κατανόηση του τι θα ανεχθούν τα εισαγόμενα γονιδιώματα και ενδεχομένως τη συμπερίληψη ενός ή περισσότερων μεγαλύτερων, πλήρως κατασκευασμένων γονιδίων. ”

Αναφορά: “Ανστραμμένες συνθετικές αλληλουχίες αποκαλύπτουν υποτιθέμενες γονιδιωματικές καταστάσεις” από τον Brendan R. Camellato, Ran Brosh και Hannah J. Ash και Matthew T. Morano και Jeff D. Bucky, 6 Μαρτίου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2