Ο κρυφός μηχανισμός δημιουργίας γονιδίων

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι ανακάλυψαν έναν μηχανισμό που προκαλεί ακαριαία γέννα DNA ομόλογα, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν στη δημιουργία νέων γονιδίων microRNA από μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες DNA. Αυτή η ανακάλυψη έγινε κατά τη μελέτη των σφαλμάτων αντιγραφής του DNA και της επίδρασής τους σε αυτό RNA Οι μοριακές δομές, παρέχουν νέες γνώσεις για την προέλευση των γονιδίων.

Η πολυπλοκότητα των ζωντανών οργανισμών κωδικοποιείται στα γονίδιά τους, αλλά από πού προέρχονται αυτά τα γονίδια; Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι έχουν επιλύσει εκκρεμή ερωτήματα σχετικά με την προέλευση των μικρών ρυθμιστικών γονιδίων και περιέγραψαν τον μηχανισμό που δημιουργεί την ομολογία του DNA τους. Κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες, αυτά τα ομόλογα εξελίσσονται σε γονίδια microRNA.

Γονίδια και πρωτεΐνες: τα δομικά στοιχεία της ζωής

Το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει περίπου. 20.000 γονίδια χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πρωτεϊνών. Οι δράσεις αυτών των κλασικών γονιδίων συντονίζονται από χιλιάδες ρυθμιστικά γονίδια, το μικρότερο από τα οποία κωδικοποιεί μόρια microRNA που έχουν μήκος 22 ζεύγη βάσεων. Ενώ ο αριθμός των γονιδίων παραμένει σχετικά σταθερός, μερικές φορές εμφανίζονται νέα γονίδια κατά την εξέλιξη. Όπως η προέλευση της βιολογικής ζωής, η προέλευση των νέων γονιδίων συνεχίζει να γοητεύει τους επιστήμονες.

Λύστε το εναλλασσόμενο παζλ

Όλα τα μόρια RNA απαιτούν εναλλασσόμενα σύνολα βάσεων που κλειδώνουν το μόριο στη λειτουργική του μορφή. Είναι σημαντικό ότι οι πιθανότητες τυχαίων μεταλλάξεων βάσης που σχηματίζουν τέτοιες σταδιακά εναλλασσόμενες οδούς είναι πολύ μικρές, ακόμη και για απλά γονίδια microRNA. Ως εκ τούτου, η προέλευση αυτών των εναλλασσόμενων αλληλουχιών έχει προβληματίσει τους ερευνητές. Οι ειδικοί στο Ινστιτούτο Βιοτεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι στη Φινλανδία έλυσαν αυτό το παζλ, περιγράφοντας έναν μηχανισμό που μπορεί να δημιουργήσει άμεσα πλήρη ομόλογα DNA, δημιουργώντας έτσι νέα γονίδια microRNA από προηγουμένως μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες DNA.

Πληροφορίες για την αντιγραφή του DNA

Σε ένα έργο που χρηματοδοτήθηκε από την Ακαδημία της Φινλανδίας, οι ερευνητές μελέτησαν λάθη στην αντιγραφή του DNA. Ο Ari Luitinoja, ο επικεφαλής του έργου, συγκρίνει την αντιγραφή του DNA με την εκτύπωση κειμένου.

“Το DNA αντιγράφεται μία βάση τη φορά και οι μεταλλάξεις είναι συνήθως μεμονωμένες λανθασμένες βάσεις, όπως λανθασμένες πινελιές σε πληκτρολόγιο φορητού υπολογιστή. Μελετήσαμε έναν μηχανισμό που οδηγεί σε μεγαλύτερα σφάλματα, όπως αντιγραφή και επικόλληση κειμένου από άλλο περιβάλλον. Μας ενδιέφερε ιδιαίτερα όταν έχετε αντιγράψει το κείμενο προς τα πίσω έτσι ώστε να δημιουργεί συμμετρικό κείμενο.

Οι ερευνητές μελέτησαν τον μηχανισμό σφάλματος στην αντιγραφή του DNA και παρατήρησαν ότι ορισμένα σφάλματα δημιουργούν ομόλογα που μπορούν να διπλωθούν σε δομές φουρκέτας. Πίστωση: Ari Löytynoja

Δομές RNA και σφάλματα DNA.

Οι ερευνητές έχουν συνειδητοποιήσει ότι τα σφάλματα αντιγραφής του DNA μπορεί μερικές φορές να είναι ευεργετικά. Περιέγραψαν αυτά τα ευρήματα στον Mikko Freelander, ειδικό στη βιολογία του RNA. Είδε αμέσως τη σύνδεση με τη δομή των μορίων RNA.

“Στο μόριο RNA, οι βάσεις των γειτονικών ομολόγων μπορούν να ζευγαρώσουν και να σχηματίσουν δομές που μοιάζουν με φουρκέτα. Τέτοιες δομές είναι απαραίτητες για τη λειτουργία των μορίων RNA”, εξηγεί.

Οι ερευνητές αποφάσισαν να επικεντρωθούν στα γονίδια του microRNA λόγω της απλής δομής τους: Τα γονίδια είναι πολύ μικρά -μόλις μερικές δεκάδες βάσεις- και πρέπει να διπλωθούν σε μια δομή φουρκέτας για να λειτουργήσουν σωστά.

Η κεντρική ιδέα ήταν να μοντελοποιηθεί το ιστορικό γονιδίων χρησιμοποιώντας έναν προσαρμοσμένο αλγόριθμο υπολογιστή. Σύμφωνα με τη μεταδιδακτορική ερευνήτρια Helle Monteinen, αυτό επιτρέπει την πιο κοντινή εξέταση της προέλευσης των γονιδίων μέχρι σήμερα.

«Είναι γνωστά τα πλήρη γονιδιώματα δεκάδων πρωτευόντων και θηλαστικών. Η σύγκριση των γονιδιωμάτων τους είναι αποκαλυπτική Ταξινόμηση Διαθέτουν ένα παλινδρομικό ζεύγος microRNA, το οποίο τους λείπει. «Με λεπτομερή μοντελοποίηση της ιστορίας, μπορούμε να δούμε ότι τα πλήρη ομόλογα δημιουργούνται από μεμονωμένα γεγονότα μετάλλαξης», λέει ο Montinen.

Η βασική ιδέα ήταν να μοντελοποιηθεί το ιστορικό γονιδίων χρησιμοποιώντας πληροφορίες από συγγενικά είδη. Η μοντελοποίηση έχει δείξει ότι ομόλογα γονιδίων microRNA παράγονται από μεμονωμένα συμβάντα μετάλλαξης. Πίστωση: Ari Löytynoja

Αρχαιολογία και κοσμοπολιτισμός

Εστιάζοντας στους ανθρώπους και σε άλλα πρωτεύοντα θηλαστικά, οι ερευνητές στο Ελσίνκι απέδειξαν ότι ο μηχανισμός που ανακαλύφθηκε πρόσφατα θα μπορούσε να εξηγήσει τουλάχιστον το ένα τέταρτο των νέων γονιδίων microRNA. Δεδομένου ότι παρόμοιες περιπτώσεις έχουν βρεθεί σε άλλες εξελικτικές γενεές, ο μηχανισμός προέλευσης φαίνεται καθολικός.

Κατ' αρχήν, η εμφάνιση γονιδίων microRNA είναι τόσο εύκολη που νέα γονίδια μπορούν να επηρεάσουν την ανθρώπινη υγεία. Η Helle Montinen βλέπει τη σημασία της εργασίας σε μεγαλύτερη κλίμακα, για παράδειγμα στην κατανόηση των βασικών αρχών της βιολογικής ζωής.

“Η εμφάνιση νέων γονιδίων από το τίποτα έχει καταπλήξει τους ερευνητές. Τώρα έχουμε ένα κομψό μοντέλο για την εξέλιξη των γονιδίων RNA.”

Αν και τα ευρήματα βασίζονται σε μικρά ρυθμιστικά γονίδια, οι ερευνητές πιστεύουν ότι τα ευρήματα μπορούν να γενικευθούν σε άλλα γονίδια και μόρια RNA. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τις πρώτες ύλες που παράγονται από τον μηχανισμό που ανακαλύφθηκε πρόσφατα, η φυσική επιλογή μπορεί να δημιουργήσει πιο πολύπλοκες δομές και λειτουργίες RNA.

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Με ανθρώπους.

Παραπομπή: «De novo δημιουργία miRNAs από την εναλλαγή προτύπων κατά την αντιγραφή του DNA» από τους Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander και Ari Löytynoja, 29 Νοεμβρίου 2023, Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.
doi: 10.1073/pnas.2310752120