Nová štúdia odhaľuje, že v jednobunkových hubách sú kvasinky „náhodné“. DNA„Prirodzene aktívna, zatiaľ čo v cicavčích bunkách je táto DNA vypnutá ako jej prirodzený stav v cicavčích bunkách, napriek tomu, že má spoločného predka pred miliardou rokov a rovnaký základný molekulárny aparát.

Nový objav sa točí okolo procesu, pri ktorom sa genetické inštrukcie DNA najprv premenia na príbuznú látku nazývanú… RNA A potom k bielkovinám, ktoré tvoria štruktúry a signály tela. U kvasiniek, myší a ľudí prebieha prvý krok génovej expresie, transkripcia, pri ktorej sa molekulárne „písmená“ DNA (nukleobázy) čítajú jedným smerom. Zatiaľ čo 80 % ľudského genómu – celá zbierka DNA v našich bunkách – je aktívne dekódovaných do RNA, menej ako 2 % z nej v skutočnosti kódujú gény, ktoré riadia konštrukciu proteínov.

Dlhotrvajúcou záhadou v genomike je to, čo všetko táto transkripcia nesúvisiaca s génmi dosahuje. Je to len hluk, vedľajší efekt evolúcie, alebo má funkcie?

Výskumný tím z NYU Langone Health sa snažil odpovedať na túto otázku vytvorením veľkého syntetického génu s kódom DNA v opačnom poradí od prirodzeného rodiča. Potom vložili syntetické gény do kvasinkových a myších kmeňových buniek a monitorovali hladiny transkriptov v každej z nich. Publikované v časopise príroda, Nová štúdia odhaľuje, že v kvasinkách je genetický systém vyladený tak, že takmer všetky gény sú nepretržite prepisované, zatiaľ čo v cicavčích bunkách je rovnakým „predvoleným stavom“ vypnutie transkripcie.

Metodika a výsledky

Zaujímavé je, že autori štúdie tvrdia, že opačné poradie kódu znamenalo, že všetky mechanizmy, ktoré sa vyvinuli v bunkách kvasiniek a cicavcov na zapnutie alebo vypnutie transkripcie, chýbali, pretože obrátený kód bol nezmysel. Avšak, ako zrkadlový obraz, obrátený kód odráža niektoré zo základných vzorov, ktoré sa objavujú v prirodzenom kóde, pokiaľ ide o to, ako často sú písmená DNA prítomné, k čomu sú blízko a ako často sa opakujú. Pretože reverzný kód je dlhý 100 000 molekulárnych písmen, tím zistil, že náhodne zahŕňal veľa malých úsekov predtým neznámeho kódu, ktorý pravdepodobne začal transkripciu častejšie v kvasinkách a zastavil ju v bunkách cicavcov.

„Pochopenie rozdielov medzi virtuálnymi verziami Klasifikovať „Genetika nám pomôže lepšie pochopiť, ktoré časti genetického kódu majú funkcie a čo sú to evolučné nehody,“ povedal zodpovedajúci autor Jeff Buckey, Ph.D., riaditeľ Inštitútu genetiky na NYU Langone Health. „To zase sľubuje usmernenie kvasinkového inžinierstva pri výrobe nových liekov, vytváraní nových génových terapií alebo dokonca pri hľadaní nových génov ukrytých v masívnom kóde.“

Táto práca dodáva váhu teórii, že veľmi aktívny transkripčný stav kvasiniek je tak jemne vyladený, že cudzorodá DNA sa do kvasiniek vstrekuje len zriedka, napr. vírus Pretože sa kopíruje, je pravdepodobnejšie, že sa prepíše do RNA. Ak táto RNA vytvorí proteín s užitočnou funkciou, kód sa zachová evolúciou ako nový gén. Na rozdiel od jednobunkového organizmu v kvasinkách, ktorý si môže dovoliť riskantné nové gény, ktoré poháňajú evolúciu rýchlejšie, bunky cicavcov, ako súčasť tiel obsahujúcich milióny spolupracujúcich buniek, majú menšiu slobodu začleniť novú DNA zakaždým, keď sa bunka stretne s vírusom. Niekoľko regulačných mechanizmov chráni starostlivo vyvážený kód taký, aký je.

Veľká DNA

Nová štúdia musela brať do úvahy veľkosť reťazcov DNA, keďže v ľudskom genóme sú 3 miliardy „písmen“ a niektoré gény majú dĺžku 2 milióny písmen. Zatiaľ čo populárne techniky umožňujú vykonávať zmeny písmeno po písmene, niektoré inžinierske úlohy sú efektívnejšie, ak výskumníci vytvoria DNA od nuly, vykonajú ďalekosiahle zmeny vo veľkých pásoch predkompilovaného kódu a nahradia ho v bunke namiesto jeho prirodzeného náprotivku. Pretože ľudské gény sú také zložité, Buckyho laboratórium najprv vyvinulo prístup „typovania genómu“ v kvasinkách, ale nedávno ho upravili tak, aby zodpovedal genetickému kódu cicavcov. Autori štúdie používajú kvasinkové bunky na zostavenie dlhých sekvencií DNA v jednom kroku a potom ich dodajú do myších embryonálnych kmeňových buniek.

Pre súčasnú štúdiu sa výskumný tím zaoberal otázkou rozsahu transkripčného šírenia v rámci evolúcie zavedením syntetického 101-kilobázového úseku upravenej DNA – génu ľudskej hypoxantín fosforibozyltransferázy 1 (HPRT1) v obrátenom kódovacom poradí. Pozorovali rozšírenú aktivitu génu v kvasinkách, napriek nedostatku nezmyselného kódu pre promótory, čo sú útržky DNA, ktoré sa vyvinuli, aby signalizovali začiatok transkripcie.

Okrem toho tím identifikoval malé sekvencie v reverznom kóde, opakujúce sa úseky stavebných blokov adenozínu a tymínu, o ktorých je známe, že ich rozpoznávajú transkripčné faktory, čo sú proteíny, ktoré sa viažu na DNA, aby iniciovali transkripciu. Takéto sekvencie, ktoré majú len 5 až 15 písmen, sa môžu ľahko vyskytovať náhodne a môžu čiastočne vysvetliť vysoko aktívny štandardný stav kvasiniek, uviedli autori.

Naopak, rovnaký symbol je obrátený, vložený do genómu myších embryonálnych kmeňových buniek, nespôsobil rozsiahlu transkripciu. V tomto scenári bola transkripcia potlačená, aj keď pokročilé CpG dinukleotidy, o ktorých je známe, že zastavujú (umlčujú) gény, neboli v reverznom kóde účinné. Tím sa domnieva, že ďalšie základné prvky v genóme cicavcov môžu obmedziť transkripciu oveľa viac ako v kvasinkách, možno priamym náborom proteínového komplexu (komplex multi-CD), ktorý je známy pre umlčanie génov.

„Čím bližšie sme k zavedeniu ‚hodnoty genómu‘ nezmyselnej DNA do živých buniek, tým lepšie ju môžu porovnať so skutočným, vyvíjajúcim sa genómom,“ povedal prvý autor Brendan Camillato, postgraduálny študent v Buckeyho laboratóriu. „To nás môže viesť k novým hraniciam umelo vytvorených bunkových terapií, pretože schopnosť vkladať stále dlhšiu syntetickú DNA umožňuje lepšie pochopenie toho, čo vložené genómy tolerujú, a potenciálne zahrnutie jedného alebo viacerých väčších, plne upravených génov.“ “

Odkaz: „Invertované syntetické sekvencie odhaľujú domnelé genómové stavy“ od Brendana R. Camellato, Ran Brosh a Hannah J. Ash a Matthew T. Morano a Jeff D. Bucky, 6. marca 2024, prírody.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2