Учените дешифрират мистериозните ДНК правила, скрити сред видовете

Ново изследване разкри, че „случайната ДНК“ се транскрибира активно в дрождите, но остава до голяма степен неактивна в клетките на бозайниците, въпреки че и двата организма споделят общ прародител и молекулярна машина. Това проучване включва въвеждане на синтетичен ген в обратен ред в стволови клетки от дрожди и мишки, разкривайки значителни разлики в транскрипционната активност. Резултатите показват, че докато клетките на дрождите транскрибират почти всички гени, клетките на бозайниците естествено потискат транскрипцията. Това изследване не само предизвиква нашето разбиране за генната транскрипция между видовете, но също така има последици за бъдещето на генното инженерство и откриването на нови гени.

Ново проучване разкрива, че в едноклетъчните гъби дрождите са „случайни“. ДНК„Естествено активен, докато в клетките на бозайниците тази ДНК е изключена като естествено състояние в клетките на бозайниците, въпреки че има общ прародител преди милиард години и същата основна молекулярна машина.

Новото откритие се върти около процеса, чрез който генетичните инструкции на ДНК първо се превръщат в свързано вещество, наречено… РНК И след това към протеините, които изграждат структурите и сигналите на тялото. При дрождите, мишките и хората се извършва първата стъпка в генната експресия, транскрипцията, при която молекулярните „букви“ на ДНК (нуклеобазите) се четат в една посока. Докато 80% от човешкия геном – цялата колекция от ДНК в нашите клетки – е ефективно декодиран в РНК, по-малко от 2% от него всъщност кодира гените, които ръководят изграждането на протеини.

Дългогодишна мистерия в геномиката е какво постига цялата тази несвързана с ген транскрипция. Просто шум ли е, страничен ефект от еволюцията, или има функции?

Изследователски екип от NYU Langone Health се опита да отговори на този въпрос, като създаде голям синтетичен ген, чийто ДНК код е в обратен ред от неговия естествен родител. След това те вмъкнаха синтетични гени в дрождени и миши стволови клетки и наблюдаваха нивата на транскрипт във всяка от тях. Публикувано в сп природа, Новото проучване разкрива, че при дрождите генетичната система е настроена така, че почти всички гени да се транскрибират непрекъснато, докато в клетките на бозайници същото „състояние по подразбиране“ е да се изключи транскрипцията.

Методика и резултати

Интересното е, че авторите на изследването казват, че обратният ред на кода означава, че всички механизми, които са се развили в клетките на дрожди и бозайници за включване или изключване на транскрипцията, отсъстват, защото обратният код е глупост. Въпреки това, като огледален образ, обърнатият код отразява някои от основните модели, които се появяват в естествения код по отношение на това колко често присъстват ДНК букви, до какво са близки и колко често се повтарят. Тъй като обратният код е дълъг 100 000 молекулярни букви, екипът установи, че произволно включва много малки участъци от неизвестен преди това код, който вероятно започва по-често транскрипция в дрожди и я спира в клетки на бозайници.

„Разбиране на разликите между виртуалните версии Класифицирайте „Генетиката ще ни помогне да разберем по-добре кои части от генетичния код имат функции и какви са еволюционните инциденти“, каза съответният автор Джеф Бъки, доктор по философия, директор на Генетичния институт към NYU Langone Health. „Това от своя страна обещава да насочи инженерството на дрожди за създаване на нови лекарства, създаване на нови генни терапии или дори да ни помогне да открием нови гени, заровени в масивния код.“

Тази работа придава тежест на теорията, че много активното транскрипционно състояние на дрождите е толкова фино настроено, че чужда ДНК рядко се инжектира в дрождите, например от вирус Тъй като се копира, е по-вероятно да се транскрибира в РНК. Ако тази РНК изгради протеин с полезна функция, кодът ще бъде запазен от еволюцията като нов ген. За разлика от едноклетъчния организъм в дрождите, който може да си позволи рискови нови гени, които движат еволюцията по-бързо, клетките на бозайниците, като част от тела, съдържащи милиони сътрудничещи си клетки, са по-малко свободни да включват ново ДНК всеки път, когато клетката срещне вирус. Няколко регулаторни механизма защитават внимателно балансирания код такъв, какъвто е.

Голямо ДНК

Новото изследване трябваше да вземе предвид размера на ДНК нишките, тъй като в човешкия геном има 3 милиарда „букви“, а някои гени са дълги 2 милиона букви. Докато популярните техники позволяват промените да се правят буква по буква, някои инженерни задачи са по-ефективни, ако изследователите изграждат ДНК от нулата, като правят мащабни промени в големи части от предварително компилиран код и го заменят в клетка, а не в естествения му аналог. Тъй като човешките гени са толкова сложни, лабораторията на Бъки първо разработи подхода за „типизиране на генома“ в дрождите, но наскоро го модифицира, за да съответства на генетичния код на бозайниците. Авторите на изследването използват клетки от дрожди, за да сглобят дълги последователности от ДНК в една стъпка, след което да ги доставят в миши ембрионални стволови клетки.

За настоящото проучване изследователският екип се зае с въпроса за степента на разпространение на транскрипцията в еволюцията чрез въвеждане на синтетичен 101-килобазов участък от проектирана ДНК – гена на човешката хипоксантин фосфорибозилтрансфераза 1 (HPRT1) в обратен ред на кодиране. Те наблюдават широко разпространена активност на гена в дрождите, въпреки липсата на безсмислен код за промотори, които са фрагменти от ДНК, които са еволюирали, за да сигнализират за началото на транскрипцията.

Освен това екипът идентифицира малки последователности в обратния код, повтарящи се участъци от градивни елементи на аденозин и тимин, за които е известно, че се разпознават от транскрипционни фактори, които са протеини, които се свързват с ДНК, за да инициират транскрипция. Такива последователности, които са дълги само от 5 до 15 букви, могат лесно да се появят на случаен принцип и могат отчасти да обяснят високоактивното състояние по подразбиране на дрождите, казаха авторите.

Напротив, същият символ е обърнат, вмъкнат в генома на миши ембрионални стволови клетки, той не предизвиква екстензивна транскрипция. В този сценарий транскрипцията е потисната, въпреки че усъвършенстваните CpG динуклеотиди, за които е известно, че спират (заглушават) гените, не са ефективни в обратния код. Екипът вярва, че други основни елементи в генома на бозайниците могат да ограничат транскрипцията много повече, отколкото в дрождите, може би чрез директно набиране на протеинов комплекс (мулти-CD комплекс), известен с генното заглушаване.

„Колкото повече се доближаваме до въвеждането на „геномната стойност“ на безсмислена ДНК в живите клетки, толкова по-добре те могат да я сравнят с действителния, развиващ се геном“, каза първият автор Брендън Камилато, студент в лабораторията на Бъки. „Това може да ни доведе до нови граници на инженерните клетъчни терапии, тъй като способността за вмъкване на все по-дълга синтетична ДНК позволява по-добро разбиране на това какво ще толерират вмъкнатите геноми и потенциално включването на един или повече по-големи, напълно проектирани гени. ”

Справка: „Обърнатите синтетични последователности разкриват предполагаеми геномни състояния“ от Брендън Р. Камелато, Ран Брош и Хана Дж. Аш и Матю Т. Морано и Джеф Д. Бъки, 6 март 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2