Скритият механизъм на създаване на ген

Изследователи от университета в Хелзинки са открили механизъм, който генерира мигновено раждане ДНК хомолози, което може да доведе до създаването на нови микроРНК гени от некодиращи ДНК последователности. Това откритие е направено при изучаване на грешки в репликацията на ДНК и техния ефект върху нея РНК Молекулярни структури, предоставя нови прозрения за произхода на гените.

Сложността на живите организми е кодирана в техните гени, но откъде идват тези гени? Изследователи от университета в Хелзинки разрешиха нерешени въпроси относно произхода на малките регулаторни гени и описаха механизма, който създава тяхната ДНК хомология. При подходящи условия тези хомолози се развиват в микроРНК гени.

Гени и протеини: градивните елементи на живота

Човешкият геном съдържа ок. 20 000 гена се използват за изграждане на протеини. Действията на тези класически гени се координират от хиляди регулаторни гени, най-малките от които кодират микроРНК молекули, които са с дължина 22 базови двойки. Докато броят на гените остава относително постоянен, понякога по време на еволюцията се появяват нови гени. Подобно на произхода на биологичния живот, произходът на новите гени продължава да вълнува учените.

Решете редуващия се пъзел

Всички РНК молекули изискват редуващи се набори от бази, които заключват молекулата в нейната функционална форма. Важно е, че шансовете за произволни базови мутации, образуващи такива прогресивно редуващи се пътища, са много малки, дори за прости микроРНК гени. Следователно произходът на тези редуващи се последователности озадачи изследователите. Експерти от Института по биотехнологии към университета в Хелзинки във Финландия са решили този пъзел, описвайки механизъм, който може незабавно да генерира пълни ДНК хомолози, като по този начин създава нови микроРНК гени от предишни некодиращи ДНК последователности.

Прозрения за репликацията на ДНК

В проект, финансиран от Академията на Финландия, изследователите са изследвали грешки в репликацията на ДНК. Ари Луитиноха, ръководителят на проекта, сравнява репликацията на ДНК с отпечатването на текст.

„ДНК се копира една база наведнъж и мутациите обикновено са единични грешни бази, като грешни удари на клавиатурата на лаптоп. Изследвахме механизъм, който води до по-големи грешки, като копиране и поставяне на текст от друг контекст. Интересувахме се особено когато сте копирали текста назад, така че да създаде симетричен текст.

Изследователите са проучили механизма на грешката при репликацията на ДНК и са забелязали, че някои грешки създават хомолози, които могат да се трансформират в структури на фиби. Кредит: Ari Löytynoja

РНК структури и ДНК грешки.

Изследователите са осъзнали, че грешките при репликацията на ДНК понякога могат да бъдат полезни. Те описват тези открития на Мико Фрийлендър, експерт по РНК биология. Той веднага видя връзката със структурата на РНК молекулите.

„В молекулата на РНК базите на съседни хомолози могат да се сдвояват и да образуват подобни на фиби структури. Такива структури са от съществено значение за функцията на молекулите на РНК“, обяснява той.

Изследователите решават да се съсредоточат върху микроРНК гените поради простата им структура: гените са много къси – само няколко десетки бази – и те трябва да се сгънат в структура на фиби, за да функционират правилно.

Централната идея беше да се моделира генната история с помощта на персонализиран компютърен алгоритъм. Според постдокторския изследовател Хеле Монтейнен това позволява най-внимателното изследване на произхода на гените досега.

„Пълните геноми на десетки примати и бозайници са известни. Сравнението на техните геноми разкрива Класифицирайте Те притежават палиндромна двойка микроРНК, която им липсва. „Чрез подробно моделиране на историята можем да видим, че пълните хомолози са създадени от единични мутационни събития“, казва Монтинен.

Основната идея беше да се моделира историята на гените, като се използва информация от сродни видове. Моделирането показа, че хомолози на микроРНК гени се генерират от единични мутационни събития. Кредит: Ari Löytynoja

Археология и космополитизъм

Фокусирайки се върху хора и други примати, изследователите в Хелзинки показаха, че новооткритият механизъм може да обясни поне една четвърт от новите микроРНК гени. Тъй като подобни случаи са открити в други еволюционни линии, механизмът на произход изглежда универсален.

По принцип появата на микроРНК гени е толкова лесна, че новите гени могат да повлияят на човешкото здраве. Хеле Монтинен вижда значението на работата в по-голям мащаб, например в разбирането на основните принципи на биологичния живот.

„Появата на нови гени от нищото изуми изследователите. Сега имаме елегантен модел за еволюцията на РНК гените.“

Въпреки че констатациите се основават на малки регулаторни гени, изследователите смятат, че констатациите могат да бъдат обобщени за други гени и РНК молекули. Например, използвайки суровините, генерирани от новооткрития механизъм, естественият подбор може да създаде по-сложни РНК структури и функции.

Проучването е публикувано в С хора.

Справка: „De novo генериране на miPHK от превключване на шаблон по време на репликация на ДНК“ от Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander и Ari Löytynoja, 29 ноември 2023 г., Сборник на Националната академия на науките.
doi: 10.1073/pnas.2310752120