skrytý mechanizmus tvorby génov

Vedci z Helsinskej univerzity objavili mechanizmus, ktorý okamžite generuje dna Palindrómy, ktoré potenciálne vedú k tvorbe nových mikroRNA génov z nekódujúcich sekvencií DNA. Tento objav, ku ktorému došlo pri štúdiu chýb replikácie DNA a ich účinkov kráľovská armáda Molekulové štruktúry poskytujú nový pohľad na pôvod génov.

Zložitosť živých organizmov je zakódovaná v ich génoch, ale odkiaľ tieto gény pochádzajú? Výskumníci z Helsinskej univerzity vyriešili nevyriešené otázky týkajúce sa pôvodu malých regulačných génov a opísali mechanizmus, ktorý vytvára ich DNA palindrómy. Za vhodných podmienok sa z týchto palindrómov vyvinú mikroRNA gény.

Gény a proteíny: stavebné kamene života

Ľudský genóm obsahuje cca. 20 000 génov, ktoré sa používajú na tvorbu bielkovín. Aktivity týchto klasických génov sú koordinované tisíckami regulačných génov, z ktorých najmenší kóduje malé molekuly mikroRNA s dĺžkou 22 párov báz. Zatiaľ čo počet génov zostáva relatívne konštantný, počas evolúcie sa niekedy objavia nové gény. Podobne ako pôvod biologického života, aj vznik nových génov fascinoval vedcov.

riešenie palindromických hádaniek

Všetky molekuly RNA vyžadujú palindromické série báz, ktoré uzamknú molekulu do jej funkčnej konformácie. Dôležité je, že pravdepodobnosť postupného vytvárania takýchto palindromických behov náhodnými mutáciami báz je extrémne nízka, dokonca aj pre jednoduché gény mikroRNA. Pôvod týchto palindromických sekvencií preto zmiatol výskumníkov. Odborníci z Inštitútu biotechnológie Helsinskej univerzity vo Fínsku túto záhadu rozlúštili a opísali mechanizmus, ktorý dokáže okamžite generovať kompletné DNA palindrómy a tak vytvárať nové mikroRNA gény z predtým nekódujúcich sekvencií DNA.

DNA replikačný pohľad

V projekte financovanom Fínskou akadémiou vedci skúmali chyby v replikácii DNA. Vedúci projektu, Ari Loitinoja, porovnáva replikáciu DNA s písaním textu.

„DNA sa kopíruje po jednej základni a mutácie sú zvyčajne nesprávne jednotlivé základne, ako napríklad nesprávny úder na klávesnici notebooku. Študovali sme mechanizmy, ktoré spôsobujú veľké chyby, ako napríklad kopírovanie a vkladanie textu z iného kontextu. Zaujali nás najmä prípady, ktoré kopírovali text spätne tak, aby vznikol palindróm.

Výskumníci študovali mechanizmus chýb pri replikácii DNA a zistili, že niektoré chyby vytvárajú palindrómy, ktoré sa môžu zmeniť na vlásenky. Poďakovanie: Ari Loytinoja

Štruktúry RNA a chyby DNA

Výskumníci zistili, že chyby replikácie DNA môžu byť niekedy prospešné. Tieto zistenia opísal Mikkovi Frilanderovi, odborníkovi na biológiu RNA. Okamžite videl spojenie so štruktúrou molekúl RNA.

„V molekule RNA sa môžu bázy susedných palindrómov spojiť a vytvoriť štruktúry podobné vlásenke. Takéto štruktúry sú dôležité pre funkciu molekúl RNA,“ vysvetľuje.

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

Hlavným poznatkom bolo modelovanie génovej histórie pomocou vlastného počítačového algoritmu. Podľa postdoktorandskej výskumníčky Helly Montinen to umožňuje zatiaľ najbližšie pozorovanie pôvodu génov.

„Sú známe kompletné genómy desiatok primátov a cicavcov. Porovnanie ich genómov ukazuje druhov mikroRNA palindrómový pár a tie, ktoré ho nemajú. S podrobným modelovaním histórie môžeme vidieť, že celé palindrómy sú vytvorené udalosťami jedinej mutácie,“ hovorí Montinen.

Ústredným pohľadom bolo modelovanie génovej histórie pomocou informácií od príbuzných druhov. Modelovanie ukázalo, že palindrómy mikroRNA génov vznikajú pri jedinej mutácii. Poďakovanie: Ari Loytinoja

Implikácie a univerzálnosť

Helsinskí výskumníci so zameraním na ľudí a iné primáty ukázali, že novo nájdený mechanizmus môže vysvetliť najmenej štvrtinu nových génov mikroRNA. Keďže podobné prípady sa našli aj v iných evolučných líniách, mechanizmus pôvodu sa zdá byť univerzálny.

Teoreticky je pre mikroRNA gény také ľahké množiť sa, že nové gény môžu ovplyvniť ľudské zdravie. Helly Montinen vidí význam diela širšie, napríklad v pochopení základných princípov biologického života.

„Výskyt nových génov od nuly fascinoval výskumníkov. „Teraz máme úžasný model pre vývoj génov RNA,“ vysvetľuje.

Hoci výsledky sú založené na malých regulačných génoch, vedci sa domnievajú, že zistenia možno zovšeobecniť aj na iné gény a molekuly RNA. Napríklad pomocou surovín generovaných novoobjavenými mechanizmami môže prirodzený výber vytvoriť oveľa zložitejšie štruktúry a funkcie RNA.

Štúdia bola publikovaná v r PNAS,

Odkaz: „Generovanie de novo miRNA z prepínania templátov počas replikácie DNA“ Helly AM Montinen, Mikko J. Autori Friedlander a Ari Loytynoja, 29. novembra 2023, Zborník Národnej akadémie vied,
DOI: 10.1073/pnas.2310752120