Bilim insanları türler arasında saklı olan gizemli DNA kurallarını çözdü

Yeni bir çalışma, tek hücreli mantarlarda mayanın “rastgele” olduğunu ortaya koyuyor. DNA“Doğal olarak aktif olan bu DNA, memeli hücrelerinde, bir milyar yıl önce ortak bir ataya ve aynı temel moleküler mekanizmaya sahip olmasına rağmen, memeli hücrelerinde doğal hali olarak kapalı durumdadır.

Yeni keşif, DNA'daki genetik talimatların ilk önce ilgili bir maddeye dönüştürüldüğü süreç etrafında dönüyor. RNA Ve sonra vücudun yapılarını ve sinyallerini oluşturan proteinlere geçelim. Mayada, farelerde ve insanlarda, gen ekspresyonundaki ilk adım olan transkripsiyon, DNA'nın moleküler “harflerinin” (nükleobazlar) tek yönde okunmasıyla gerçekleşir. İnsan genomunun %80'i (hücrelerimizdeki DNA koleksiyonunun tamamı) etkili bir şekilde RNA'ya dönüştürülürken, bunun %2'den azı aslında proteinlerin yapımını yönlendiren genleri kodlar.

Genlerle ilgili olmayan tüm bu transkripsiyonun başardığı şey, genom biliminde uzun süredir devam eden bir gizemdir. Bu sadece gürültü mü, evrimin bir yan etkisi mi, yoksa işlevleri var mı?

NYU Langone Health'teki bir araştırma ekibi, DNA kodu doğal ebeveynine göre ters sırada olan büyük bir sentetik gen yaratarak bu soruyu yanıtlamaya çalıştı. Daha sonra maya ve fare kök hücrelerine sentetik genler yerleştirdiler ve her birinde transkript seviyelerini izlediler. Dergide yayınlandı doğa, Yeni çalışma, mayada genetik sistemin neredeyse tüm genlerin sürekli olarak kopyalanacağı şekilde ayarlandığını, oysa memeli hücrelerinde aynı “varsayılan durumun” transkripsiyonu kapatmak olduğunu ortaya koyuyor.

Metodoloji ve sonuçlar

İlginç bir şekilde, çalışmanın yazarları, kodun ters sırasının, maya ve memeli hücrelerinde transkripsiyonu açmak veya kapatmak için gelişen tüm mekanizmaların, ters kodun saçma olması nedeniyle mevcut olmadığı anlamına geldiğini söylüyor. Ancak ters kod, tıpkı bir ayna görüntüsü gibi, DNA harflerinin ne sıklıkla mevcut olduğu, neye yakın olduğu ve ne sıklıkta tekrarlandığı açısından doğal kodda ortaya çıkan bazı temel kalıpları yansıtır. Ters kod 100.000 moleküler harf uzunluğunda olduğundan ekip, daha önce bilinmeyen kodun birçok küçük bölümünü rastgele içerdiğini ve bu kodun muhtemelen mayada transkripsiyonu daha sık başlattığını ve memeli hücrelerinde durdurduğunu buldu.

“Sanal sürümlerin farklılıklarını anlamak Sınıflandırmak NYU Langone Sağlık Genetik Enstitüsü müdürü, ilgili yazar Ph.D. Jeff Buckey, “Genetik, genetik kodun hangi bölümlerinin işlevlere sahip olduğunu ve evrimsel kazaların neler olduğunu daha iyi anlamamıza yardımcı olacak” dedi. “Bu da maya mühendisliğine yeni ilaçlar yapma, yeni gen terapileri oluşturma ve hatta büyük kodda gömülü yeni genleri bulmamıza yardımcı olma konusunda rehberlik etmeyi vaat ediyor.”

Bu çalışma, mayanın çok aktif transkripsiyonel durumunun çok ince ayarlı olduğu ve yabancı DNA'nın mayaya nadiren enjekte edildiği teorisine ağırlık vermektedir. virüs Kendini kopyaladığı için RNA'ya kopyalanma olasılığı daha yüksektir. Eğer bu RNA faydalı fonksiyona sahip bir protein oluşturursa, kod evrim boyunca yeni bir gen olarak korunacaktır. Evrimi daha hızlı yönlendiren riskli yeni genleri karşılayabilen mayadaki tek hücreli organizmanın aksine, işbirliği yapan milyonlarca hücreyi içeren vücutların bir parçası olan memeli hücreleri, hücre bir virüsle her karşılaştığında yeni DNA'yı bünyesine katma konusunda daha az özgürdür. Çeşitli düzenleyici mekanizmalar dikkatle dengelenmiş kodu olduğu gibi korur.

Büyük DNA

İnsan genomunda 3 milyar “harf” bulunduğundan ve bazı genler 2 milyon harf uzunluğunda olduğundan, yeni çalışmanın DNA iplikçiklerinin boyutunu hesaba katması gerekiyordu. Popüler teknikler, değişikliklerin harf harf yapılmasını mümkün kılsa da, bazı mühendislik görevleri, araştırmacıların DNA'yı sıfırdan oluşturması, önceden derlenmiş kodun büyük parçalarında geniş kapsamlı değişiklikler yapması ve onu doğal karşılığı yerine bir hücreye yerleştirmesi durumunda daha verimli olabilir. İnsan genleri çok karmaşık olduğundan Bucky'nin laboratuvarı ilk olarak mayada “genom yazma” yaklaşımını geliştirdi, ancak yakın zamanda bunu memeli genetik koduna uyarladı. Araştırmanın yazarları, uzun DNA dizilerini tek bir adımda birleştirmek ve ardından bunları fare embriyonik kök hücrelerine aktarmak için maya hücrelerini kullanıyor.

Mevcut çalışma için araştırma ekibi, sentetik 101 kilobazlık mühendislik DNA'sı (insan hipoksantin fosforibosiltransferaz 1 (HPRT1) geni) ters kodlama sırasına göre tanıtarak, evrim boyunca transkripsiyonel yayılmanın boyutu sorusunu ele aldı. Transkripsiyonun başlangıcını işaret etmek üzere evrimleşen DNA parçacıkları olan promoterler için anlamsız kodların bulunmamasına rağmen, mayadaki genin yaygın aktivitesini gözlemlediler.

Ayrıca ekip, ters kodda, transkripsiyonu başlatmak için DNA'ya bağlanan proteinler olan transkripsiyon faktörleri tarafından tanındığı bilinen, adenozin ve timin yapı bloklarının tekrarlayan uzantıları olan küçük dizileri tanımladı. Yazarlar, yalnızca 5 ila 15 harf uzunluğunda olan bu tür dizilerin kolaylıkla rastgele oluşabileceğini ve mayanın yüksek derecede aktif varsayılan durumunu kısmen açıklayabileceğini söyledi.

Tam tersine aynı ters sembol, Fare embriyonik kök hücrelerinin genomuna yerleştirildiğinden kapsamlı transkripsiyona neden olmadı. Bu senaryoda, genleri durdurduğu (susturduğu) bilinen gelişmiş CpG dinükleotidleri ters kodda etkili olmamasına rağmen transkripsiyon baskılandı. Ekip, memeli genomundaki diğer temel elementlerin, belki de gen susturma için bilinen bir protein kompleksini (çoklu CD kompleksi) doğrudan işe alarak, transkripsiyonu mayaya göre çok daha fazla kısıtlayabileceğine inanıyor.

Buckey laboratuvarında yüksek lisans öğrencisi olan ilk yazar Brendan Camillato, “Saçma DNA'nın 'genom değerini' canlı hücrelere sokmaya ne kadar yaklaşırsak, onu gerçek, gelişen genomla o kadar iyi karşılaştırabilirler” dedi. “Bu bizi tasarlanmış hücre tedavilerinde yeni sınırlara götürebilir, çünkü daha uzun sentetik DNA ekleme yeteneği, eklenen genomların neyi tolere edeceğinin daha iyi anlaşılmasına ve potansiyel olarak bir veya daha fazla daha büyük, tamamen tasarlanmış genlerin dahil edilmesine olanak sağlar. ”

Referans: Brendan R. Camellato, Ran Brosh ve Hannah J. Ash ve Matthew T. Morano ve Jeff D. Bucky, 6 Mart 2024, doğa.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2