Vědci dešifrují záhadná pravidla DNA ukrytá napříč druhy

Nová studie odhaluje, že u jednobuněčných hub jsou kvasinky „náhodné“. DNA„Přirozeně aktivní, zatímco v savčích buňkách je tato DNA vypnutá jako přirozený stav v savčích buňkách, přestože má společného předka před miliardou let a stejný základní molekulární aparát.“

Nový objev se točí kolem procesu, při kterém se genetické instrukce DNA nejprve přemění na příbuznou látku zvanou… RNA A pak k bílkovinám, které tvoří struktury a signály těla. U kvasinek, myší a lidí probíhá první krok genové exprese, transkripce, při níž jsou molekulární „písmena“ DNA (nukleobáze) čtena jedním směrem. Zatímco 80 % lidského genomu – celá sbírka DNA v našich buňkách – je aktivně dekódováno na RNA, méně než 2 % z toho ve skutečnosti kóduje geny, které řídí stavbu proteinů.

Dlouhotrvajícím tajemstvím v genomice je, čeho všeho tato transkripce nesouvisející s genem dosahuje. Je to jen hluk, vedlejší efekt evoluce, nebo to má funkce?

Výzkumný tým z NYU Langone Health se snažil na tuto otázku odpovědět vytvořením velkého syntetického genu s kódem DNA v obráceném pořadí od přirozeného rodiče. Poté vložili syntetické geny do kvasinkových a myších kmenových buněk a sledovali hladiny transkriptů v každé z nich. Publikováno v časopise Příroda, Nová studie odhaluje, že u kvasinek je genetický systém vyladěn tak, že téměř všechny geny jsou nepřetržitě transkribovány, zatímco v savčích buňkách je stejným „výchozím stavem“ vypnutí transkripce.

Metodika a výsledky

Je zajímavé, že autoři studie říkají, že obrácené pořadí kódu znamenalo, že všechny mechanismy, které se vyvinuly v buňkách kvasinek a savců za účelem zapnutí nebo vypnutí transkripce, chyběly, protože obrácený kód byl nesmysl. Nicméně, jako zrcadlový obraz, obrácený kód odráží některé ze základních vzorů, které se objevují v přirozeném kódu, pokud jde o to, jak často jsou přítomna písmena DNA, k čemu jsou blízko a jak často se opakují. Protože reverzní kód je dlouhý 100 000 molekulárních písmen, tým zjistil, že náhodně zahrnoval mnoho malých úseků dříve neznámého kódu, který pravděpodobně začal transkripci častěji v kvasinkách a zastavil ji v savčích buňkách.

„Pochopení rozdílů mezi virtuálními verzemi Klasifikovat „Genetika nám pomůže lépe pochopit, které části genetického kódu mají funkce a jaké jsou evoluční nehody,“ řekl odpovídající autor Jeff Buckey, Ph.D., ředitel Genetického institutu na NYU Langone Health. „To zase slibuje, že povede kvasinkové inženýrství k výrobě nových léků, vytvoření nových genových terapií nebo nám dokonce pomůže najít nové geny skryté v masivním kódu.“

Tato práce dodává váhu teorii, že velmi aktivní transkripční stav kvasinek je tak vyladěn, že cizí DNA je do kvasinek vpravována jen zřídka, např. virus Protože se kopíruje, je pravděpodobnější, že se přepíše do RNA. Pokud tato RNA vytvoří protein s užitečnou funkcí, kód bude zachován evolucí jako nový gen. Na rozdíl od jednobuněčného organismu v kvasinkách, který si může dovolit riskantní nové geny, které pohánějí evoluci rychleji, savčí buňky jako součást těl obsahujících miliony spolupracujících buněk mají menší volnost při začleňování nové DNA pokaždé, když se buňka setká s virem. Několik regulačních mechanismů chrání pečlivě vyvážený kód tak, jak je.

Velká DNA

Nová studie musela vzít v úvahu velikost řetězců DNA, protože v lidském genomu jsou 3 miliardy „písmen“ a některé geny jsou dlouhé 2 miliony písmen. Zatímco populární techniky umožňují provádět změny písmeno po písmenu, některé inženýrské úkoly jsou efektivnější, pokud výzkumníci sestavují DNA od nuly, provádějí dalekosáhlé změny velkých pásů předkompilovaného kódu a nahrazují jej v buňce místo jeho přirozeného protějšku. Protože lidské geny jsou tak složité, Buckyho laboratoř nejprve vyvinula přístup „typování genomu“ u kvasinek, ale nedávno jej upravila tak, aby odpovídal genetickému kódu savců. Autoři studie používají kvasinkové buňky k sestavení dlouhých sekvencí DNA v jediném kroku a poté je dodají do myších embryonálních kmenových buněk.

Pro současnou studii se výzkumný tým zabýval otázkou rozsahu transkripčního šíření napříč evolucí zavedením syntetického 101 kilobázového úseku upravené DNA – genu lidské hypoxanthin fosforibosyltransferázy 1 (HPRT1) v obráceném pořadí kódování. Pozorovali rozšířenou aktivitu genu v kvasinkách, navzdory nedostatku nesmyslného kódu pro promotory, což jsou útržky DNA, které se vyvinuly, aby signalizovaly začátek transkripce.

Kromě toho tým identifikoval malé sekvence v reverzním kódu, opakující se úseky stavebních bloků adenosinu a thyminu, o kterých je známo, že je rozpoznávají transkripční faktory, což jsou proteiny, které se vážou na DNA za účelem zahájení transkripce. Takové sekvence, které jsou dlouhé pouze 5 až 15 písmen, se mohou snadno vyskytovat náhodně a mohou částečně vysvětlit vysoce aktivní výchozí stav kvasinek, uvedli autoři.

Stejný symbol je naopak obrácený, vložen do genomu myších embryonálních kmenových buněk, nezpůsobil rozsáhlou transkripci. V tomto scénáři byla transkripce potlačena, i když pokročilé CpG dinukleotidy, o kterých je známo, že zastavují (umlčují) geny, nebyly v reverzním kódu účinné. Tým věří, že další základní prvky v savčím genomu mohou omezovat transkripci mnohem více než u kvasinek, možná přímo náborem proteinového komplexu (komplex multi-CD), který je známý pro umlčování genů.

„Čím blíže jsme k zavedení ‚genomové hodnoty‘ nesmyslné DNA do živých buněk, tím lépe ji mohou porovnat se skutečným, vyvíjejícím se genomem,“ řekl první autor Brendan Camillato, postgraduální student v Buckeyho laboratoři. „To nás může vést k novým hranicím umělých buněčných terapií, protože schopnost vkládat stále delší syntetickou DNA umožňuje lepší pochopení toho, co vložené genomy tolerují, a potenciálně zahrnutí jednoho nebo více větších, plně upravených genů.“ “

Odkaz: „Invertované syntetické sekvence odhalují domnělé genomické stavy“ od Brendana R. Camellato, Ran Brosh a Hannah J. Ash a Matthew T. Morano a Jeff D. Bucky, 6. března 2024, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2