Nowe badania wykazały, że „losowe DNA” ulega aktywnej transkrypcji w drożdżach, ale pozostaje w dużej mierze nieaktywne w komórkach ssaków, mimo że oba organizmy mają wspólnego przodka i maszynerię molekularną. Badanie to obejmowało wprowadzenie syntetycznego genu w odwrotnej kolejności do komórek macierzystych drożdży i myszy, ujawniając istotne różnice w aktywności transkrypcyjnej. Wyniki wskazują, że podczas gdy komórki drożdży dokonują transkrypcji prawie wszystkich genów, komórki ssaków w naturalny sposób tłumią transkrypcję. Badania te nie tylko podważają naszą wiedzę na temat transkrypcji genów u różnych gatunków, ale także niosą ze sobą konsekwencje dla przyszłości inżynierii genetycznej i odkrywania nowych genów.
Nowe badanie pokazuje, że u grzybów jednokomórkowych drożdże są „losowe”. DNA„Naturalnie aktywny, podczas gdy w komórkach ssaków ten DNA jest wyłączony jako jego naturalny stan w komórkach ssaków, pomimo posiadania wspólnego przodka miliard lat temu i tej samej podstawowej maszynerii molekularnej.
Nowe odkrycie dotyczy procesu, w którym instrukcje genetyczne DNA są najpierw przekształcane w pokrewną substancję zwaną… RNA A potem do białek tworzących struktury i sygnały organizmu. U drożdży, myszy i ludzi pierwszy etap ekspresji genów, transkrypcja, ma miejsce, podczas którego molekularne „litery” DNA (zasady nukleinowe) są odczytywane w jednym kierunku. Chociaż 80% ludzkiego genomu – cały zbiór DNA w naszych komórkach – jest aktywnie dekodowane do RNA, mniej niż 2% z niego faktycznie koduje geny kierujące konstrukcją białek.
Od dawna tajemnicą genomiki jest to, czego dokonuje cała ta transkrypcja niezwiązana z genami. Czy to tylko szum, efekt uboczny ewolucji, czy też pełni funkcje?
Zespół badawczy z NYU Langone Health próbował odpowiedzieć na to pytanie, tworząc duży syntetyczny gen, którego kod DNA był w odwrotnej kolejności niż jego naturalny rodzic. Następnie wprowadzili syntetyczne geny do komórek macierzystych drożdży i myszy i monitorowali poziom transkryptów w każdym z nich. Opublikowano w czasopiśmie Natura, Nowe badanie pokazuje, że u drożdży system genetyczny jest dostrojony w taki sposób, że prawie wszystkie geny podlegają ciągłej transkrypcji, podczas gdy w komórkach ssaków tym samym „stanem domyślnym” jest wyłączenie transkrypcji.
Metodologia i wyniki
Co ciekawe, jak twierdzą autorzy badania, odwrotna kolejność kodu oznaczała brak wszystkich mechanizmów, które wyewoluowały w komórkach drożdży i ssaków w celu włączania i wyłączania transkrypcji, ponieważ odwrotny kod był nonsensowny. Jednakże, podobnie jak lustrzane odbicie, odwrócony kod odzwierciedla niektóre podstawowe wzorce pojawiające się w kodzie naturalnym pod względem częstotliwości występowania liter DNA, ich bliskości i częstotliwości powtarzania. Ponieważ kod odwrotny ma długość 100 000 liter molekularnych, zespół odkrył, że losowo zawierał wiele małych fragmentów nieznanego wcześniej kodu, który prawdopodobnie częściej inicjował transkrypcję w drożdżach i zatrzymywał ją w komórkach ssaków.
„Zrozumienie różnic między wersjami wirtualnymi Klasyfikować „Genetyka pomoże nam lepiej zrozumieć, które części kodu genetycznego pełnią funkcje i jakie są przypadki ewolucyjne” – powiedział korespondent dr Jeff Buckey, dyrektor Instytutu Genetyki na Uniwersytecie Nowojorskim w Langone Health. „To z kolei może pomóc inżynierii drożdży w tworzeniu nowych leków, tworzeniu nowych terapii genowych, a nawet pomóc nam znaleźć nowe geny ukryte w ogromnym kodzie”.
Praca ta potwierdza teorię, że bardzo aktywny stan transkrypcyjny drożdży jest tak precyzyjnie dostrojony, że rzadko zdarza się wstrzykiwać do drożdży obcy DNA, na przykład przez wirus Ponieważ sam się kopiuje, istnieje większe prawdopodobieństwo, że zostanie przepisany na RNA. Jeśli ten RNA zbuduje białko o użytecznej funkcji, kod zostanie zachowany w drodze ewolucji jako nowy gen. W przeciwieństwie do jednokomórkowego organizmu drożdży, który może sobie pozwolić na ryzykowne nowe geny przyspieszające ewolucję, komórki ssaków, jako część ciał zawierających miliony współpracujących komórek, mają mniejszą swobodę włączania nowego DNA za każdym razem, gdy komórka napotyka wirusa. Kilka mechanizmów regulacyjnych chroni starannie wyważony kod w niezmienionej postaci.
Wielkie DNA
W nowym badaniu trzeba było wziąć pod uwagę wielkość nici DNA, ponieważ w ludzkim genomie znajduje się 3 miliardy „liter”, a niektóre geny mają długość 2 milionów liter. Chociaż popularne techniki umożliwiają wprowadzanie zmian litera po literze, niektóre zadania inżynieryjne są bardziej wydajne, jeśli badacze zbudują DNA od zera, dokonując daleko idących zmian w dużych obszarach wstępnie skompilowanego kodu i zastępując go w komórce zamiast w jego naturalnym odpowiedniku. Ponieważ ludzkie geny są tak złożone, laboratorium Bucky'ego najpierw opracowało metodę „typowania genomu” u drożdży, ale ostatnio zmodyfikowało ją, aby dopasować ją do kodu genetycznego ssaków. Autorzy badania wykorzystują komórki drożdży do składania długich sekwencji DNA w jednym etapie, a następnie dostarczają je do embrionalnych komórek macierzystych myszy.
Na potrzeby obecnego badania zespół badawczy zajął się kwestią zakresu rozprzestrzeniania się transkrypcji w ewolucji, wprowadzając syntetyczny odcinek zmodyfikowanego DNA o długości 101 kilozasad – genu ludzkiej fosforybozylotransferazy hipoksantynowej 1 (HPRT1) w odwrotnej kolejności kodowania. Zaobserwowali powszechną aktywność genu w drożdżach pomimo braku nonsensownego kodu dla promotorów, czyli fragmentów DNA, które wyewoluowały, aby zasygnalizować początek transkrypcji.
Co więcej, zespół zidentyfikował małe sekwencje w kodzie odwrotnym, czyli powtarzające się odcinki cegiełek adenozyny i tyminy, o których wiadomo, że są rozpoznawane przez czynniki transkrypcyjne, czyli białka wiążące się z DNA w celu zainicjowania transkrypcji. Autorzy twierdzą, że takie sekwencje, mające tylko od 5 do 15 liter, mogą łatwo wystąpić losowo i mogą częściowo wyjaśniać wysoce aktywny stan domyślny drożdży.
Wręcz przeciwnie, ten sam symbol jest odwrócony, wstawiony do genomu embrionalnych komórek macierzystych myszy, nie powodował rozległej transkrypcji. W tym scenariuszu transkrypcja uległa stłumieniu, mimo że zaawansowane dinukleotydy CpG, o których wiadomo, że zatrzymują (wyciszają) geny, nie były skuteczne w kodzie odwrotnym. Zespół uważa, że inne istotne elementy genomu ssaków mogą znacznie bardziej ograniczać transkrypcję niż w drożdżach, być może poprzez bezpośrednią rekrutację kompleksu białkowego (kompleksu wielu CD) znanego z wyciszania genów.
„Im bliżej będziemy wprowadzenia „wartości genomowej” nonsensownego DNA do żywych komórek, tym lepiej będą mogły porównać ją z rzeczywistym, ewoluującym genomem” – powiedział pierwszy autor Brendan Camillato, absolwent w laboratorium Buckeya. „Może to doprowadzić nas do nowych granic inżynierii komórkowej, ponieważ możliwość wstawiania coraz dłuższego syntetycznego DNA pozwala na lepsze zrozumienie tego, co będą tolerować wstawione genomy, i potencjalnie włączenie jednego lub większej liczby większych, w pełni zmodyfikowanych genów. ”
Odniesienie: „Odwrócone sekwencje syntetyczne ujawniają domniemane stany genomowe” autorstwa Brendana R. Camellato, Ran Brosh i Hannah J. Asha i Matthew T. Morano i Jeffa D. Bucky’ego, 6 marca 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2