Vedci z Helsinskej univerzity objavili mechanizmus, ktorý generuje okamžitý pôrod DNA homológov, čo môže viesť k vytvoreniu nových mikroRNA génov z nekódujúcich sekvencií DNA. Tento objav bol urobený pri štúdiu chýb replikácie DNA a ich vplyvu na ňu RNA Molekulové štruktúry, poskytuje nový pohľad na pôvod génov.

Zložitosť živých organizmov je zakódovaná v ich génoch, ale odkiaľ tieto gény pochádzajú? Vedci z Helsinskej univerzity vyriešili nevyriešené otázky o pôvode malých regulačných génov a opísali mechanizmus, ktorý vytvára ich homológiu DNA. Za správnych podmienok sa z týchto homológov vyvinú gény mikroRNA.

Gény a proteíny: stavebné kamene života

Ľudský genóm obsahuje cca. Na stavbu bielkovín sa používa 20 000 génov. Pôsobenie týchto klasických génov je koordinované tisíckami regulačných génov, z ktorých najmenší kóduje molekuly mikroRNA s dĺžkou 22 párov báz. Zatiaľ čo počet génov zostáva relatívne konštantný, niekedy sa počas evolúcie objavia nové gény. Rovnako ako pôvod biologického života, aj pôvod nových génov stále fascinuje vedcov.

Vyriešte striedavú hádanku

Všetky molekuly RNA vyžadujú striedajúce sa sady báz, ktoré uzamknú molekulu do jej funkčnej formy. Dôležité je, že šance na náhodné základné mutácie tvoriace takéto postupne sa striedajúce dráhy sú veľmi malé, dokonca aj pre jednoduché gény mikroRNA. Pôvod týchto striedajúcich sa sekvencií preto zmiatol výskumníkov. Odborníci z Inštitútu biotechnológie na Helsinskej univerzite vo Fínsku túto hádanku vyriešili a opísali mechanizmus, ktorý dokáže okamžite generovať kompletné homológy DNA, a tak vytvárať nové gény mikroRNA z predtým nekódujúcich sekvencií DNA.

Pohľad na replikáciu DNA

V projekte financovanom Fínskou akadémiou vedci skúmali chyby v replikácii DNA. Ari Luitinoja, vedúci projektu, porovnáva replikáciu DNA s tlačou textu.

„DNA sa kopíruje po jednej základni a mutácie sú zvyčajne jednotlivé nesprávne základne, ako sú chybné ťahy na klávesnici notebooku. Študovali sme mechanizmus, ktorý vedie k väčším chybám, ako je kopírovanie a vkladanie textu z iného kontextu. Zaujímalo nás najmä keď ste text skopírovali dozadu tak, aby vytvoril symetrický text.

Výskumníci študovali mechanizmus chýb pri replikácii DNA a zistili, že niektoré chyby vytvárajú homológy, ktoré sa môžu transformovať do vlásenkových štruktúr. Poďakovanie: Ari Löytynoja

Štruktúry RNA a chyby DNA.

Výskumníci si uvedomili, že chyby replikácie DNA môžu byť niekedy prospešné. Tieto zistenia opísali Mikkovi Freelanderovi, odborníkovi na biológiu RNA. Okamžite videl spojenie so štruktúrou molekúl RNA.

„V molekule RNA sa môžu bázy susedných homológov párovať a vytvárať štruktúry podobné vlásenke. Takéto štruktúry sú nevyhnutné pre funkciu molekúl RNA,“ vysvetľuje.

Vedci sa rozhodli zamerať na gény mikroRNA kvôli ich jednoduchej štruktúre: Gény sú veľmi krátke – len niekoľko desiatok báz – a musia sa zložiť do vlásenky, aby správne fungovali.

Hlavnou myšlienkou bolo modelovať históriu génov pomocou vlastného počítačového algoritmu. Podľa postdoktorandskej výskumníčky Helle Monteinen to umožňuje doteraz najbližšie skúmanie pôvodu génov.

„Sú známe kompletné genómy desiatok primátov a cicavcov. Porovnanie ich genómov odhaľuje Klasifikovať Majú palindrómový pár mikroRNA, ktorý im chýba. „Podrobným modelovaním histórie môžeme vidieť, že kompletné homológy sú vytvorené udalosťami jedinej mutácie,“ hovorí Montinen.

Základnou myšlienkou bolo modelovať históriu génov pomocou informácií od príbuzných druhov. Modelovanie ukázalo, že homológy mikroRNA génov sú generované jednoduchými mutáciami. Poďakovanie: Ari Löytynoja

Archeológia a kozmopolitizmus

Zameraním sa na ľudí a iné primáty vedci v Helsinkách preukázali, že novoobjavený mechanizmus by mohol vysvetliť aspoň štvrtinu nových génov mikroRNA. Keďže podobné prípady sa našli aj v iných evolučných líniách, mechanizmus vzniku sa zdá byť univerzálny.

V princípe je vznik mikroRNA génov taký jednoduchý, že nové gény môžu ovplyvniť ľudské zdravie. Helle Montinen vidí dôležitosť práce vo väčšom meradle, napríklad v pochopení základných princípov biologického života.

„Vznik nových génov z ničoho ohromil výskumníkov. Teraz máme elegantný model pre evolúciu génov RNA.“

Hoci zistenia sú založené na malých regulačných génoch, vedci sa domnievajú, že zistenia môžu byť zovšeobecnené na iné gény a molekuly RNA. Napríklad použitím surovín generovaných novoobjaveným mechanizmom môže prirodzený výber vytvoriť zložitejšie štruktúry a funkcie RNA.

Štúdia bola publikovaná v r S ľuďmi.

Odkaz: „De novo generovanie miRNA z prepínania templátov počas replikácie DNA“ od Heli AM Mönttinena, Mikko J. Frilandera a Ari Löytynoja, 29. novembra 2023, Zborník Národnej akadémie vied.
doi: 10.1073/pnas.2310752120