Nowe badania ujawniły, 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 mechanizmy molekularne. Badanie to obejmowało wstawienie syntetycznego genu w odwrotnej kolejności do komórek macierzystych drożdży i myszy, ujawniając znaczące różnice w aktywności transkrypcyjnej. Odkrycia sugerują, że chociaż komórki drożdży aktywnie dokonują transkrypcji prawie wszystkich genów, komórki ssaków w naturalny sposób tłumią transkrypcję. Badania te nie tylko podważają naszą wiedzę na temat transkrypcji genetycznej u różnych gatunków, ale także niosą ze sobą konsekwencje dla przyszłości inżynierii genetycznej i odkrywania nowych genów.

Nowe badanie pokazuje, że u drożdży jednokomórkowych „losowo DNA” jest naturalnie aktywny, podczas gdy w komórkach ssaków ten DNA jest wyłączony jako jego naturalny stan w komórkach ssaków, mimo że mają one wspólnego przodka miliard lat temu i tę samą podstawową maszynerię molekularną.

Nowe odkrycie dotyczy procesu, w którym instrukcje genetyczne DNA są najpierw przekształcane w pokrewny materiał zwany RNA a następnie w białka tworzące struktury i sygnały organizmu. U drożdży, myszy i ludzi pierwszy etap ekspresji genu, czyli transkrypcji, zachodzi, gdy „litery” molekularne DNA (zasady nukleinowe) są odczytywane w jednym kierunku. Podczas gdy 80% ludzkiego genomu – pełnego zestawu DNA w naszych komórkach – jest aktywnie dekodowane do RNA, mniej niż 2% faktycznie koduje geny kierujące budową białek.

Zatem od dawna zagadką genomiki jest to, do czego służy ta cała 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 umieścili syntetyczne geny w komórkach macierzystych drożdży i myszy i obserwowali poziom transkrypcji w każdym z nich. Opublikowano w czasopiśmie Natura, nowe badanie ujawnia, że ​​u drożdży system genetyczny jest ustawiony w taki sposób, że prawie wszystkie geny podlegają ciągłej transkrypcji, podczas gdy ten sam „stan domyślny” w komórkach ssaków polega na wyłączeniu transkrypcji.

Metodologia i ustalenia

Co ciekawe, zdaniem autorów badania, odwrotna kolejność kodu oznaczała, że ​​nie było wszystkich mechanizmów, które wyewoluowały w komórkach drożdży i ssaków w celu włączania i wyłączania transkrypcji, ponieważ odwrócony kod był nonsensowny. Jednakże, niczym lustrzane odbicie, odwrócony kod odzwierciedlał pewne podstawowe wzorce widoczne w kodzie naturalnym pod względem częstotliwości występowania liter DNA, tego, w jakim kierunku się znajdowały i jak często się powtarzały. Ponieważ odwrócony kod miał długość 100 000 liter molekularnych, zespół odkrył, że losowo zawierał wiele małych fragmentów nieznanego wcześniej kodu, który prawdopodobnie znacznie częściej uruchamiał transkrypcję u drożdży i zatrzymywał ją w komórkach ssaków.

„Zrozumienie różnic w domyślnej transkrypcji gatunek pomoże nam lepiej zrozumieć, które części kodu genetycznego pełnią funkcje, a które są wypadkami ewolucji” – powiedział korespondent dr Jef Boeke, doktor Sol i Judith Bergstein, dyrektor Instytutu Genetyki Systemów na Uniwersytecie Nowojorskim w Langone Health. „To z kolei może pomóc w inżynierii drożdży w celu wytworzenia nowych leków lub 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 ustawiony w taki sposób, że obcy DNA, rzadko wstrzykiwany do drożdży na przykład przez wirus podczas kopiowania, prawdopodobnie ulegnie transkrypcji na RNA. Jeśli ten RNA zbuduje białko o przydatnej funkcji, kod zostanie zachowany w drodze ewolucji jako nowy gen. W przeciwieństwie do jednokomórkowego organizmu drożdży, który może sobie pozwolić na ryzykowne nowe geny napędzające szybszą ewolucję, komórki ssaków, jako część ciał składających się z milionów współpracujących komórek, mają mniejszą swobodę włączania nowego DNA za każdym razem, gdy komórka napotyka wirusa. Wiele mechanizmów regulacyjnych chroni delikatnie zrównoważony kod w niezmienionej postaci.

Wielkie DNA

W nowym badaniu należało uwzględnić wielkość łańcuchów DNA, obejmujących 3 miliardy „liter” zawartych w ludzkim genomie, a niektóre geny mają długość 2 milionów liter. Chociaż znane techniki umożliwiają wprowadzanie zmian litera po literze, niektóre zadania inżynieryjne są bardziej wydajne, jeśli badacze zbudują DNA od zera, a daleko idące zmiany wprowadza się w dużych obszarach wstępnie zmontowanego kodu zamienionego w komórkę w miejsce jego naturalnego odpowiednika. Ponieważ ludzkie geny są tak złożone, laboratorium Boeke najpierw opracowało metodę „pisania genomu” u drożdży, a następnie dostosowało ją do kodu genetycznego ssaków. Autorzy badania wykorzystują komórki drożdży do składania długich sekwencji DNA w jednym kroku, a następnie dostarczają je do embrionalnych komórek macierzystych myszy.

Na potrzeby obecnego badania zespół badawczy zajął się kwestią wszechobecności transkrypcji w ewolucji, wprowadzając syntetyczny odcinek zmodyfikowanego DNA o długości 101 kilozasad – ludzką genową transferazę hipoksantynowo-fosforybozylową 1 (HPRT1) w odwrotnej kolejności kodowania. Zaobserwowali powszechną aktywność genu w drożdżach pomimo braku nonsensownego kodu promotorów – fragmentów DNA, które wyewoluowały, aby zasygnalizować początek transkrypcji.

Ponadto zespół zidentyfikował małe sekwencje w odwróconym kodzie, powtarzające się odcinki elementów składowych adenozyny i tyminy, rozpoznawane przez czynniki transkrypcyjne, czyli białka, które wiążą się z DNA w celu zainicjowania transkrypcji. Autorzy twierdzą, że sekwencje takie, mające zaledwie 5 do 15 liter, mogą łatwo wystąpić losowo i mogą częściowo wyjaśniać bardzo aktywny stan domyślny drożdży.

Wręcz przeciwnie, ten sam odwrócony kod, wstawiony do genomu embrionalnych komórek macierzystych myszy, nie spowodował powszechnej transkrypcji. W tym scenariuszu transkrypcja uległa stłumieniu, mimo że wyewoluowane dinukleotydy CpG, o których wiadomo, że aktywnie wyłączają (wyciszają) geny, nie działały w odwróconym kodzie. Zespół przypuszcza, że ​​inne podstawowe elementy genomu ssaków mogą ograniczać transkrypcję w znacznie większym stopniu niż w drożdżach, być może poprzez bezpośrednią rekrutację grupy białek (kompleksu Polycomb), o której wiadomo, że wycisza geny.

„Im bardziej zbliżamy się do wprowadzenia nonsensownego DNA o wartości genomu do żywych komórek, tym lepiej mogą je porównać z rzeczywistym, wyewoluowanym genomem” – powiedział pierwszy autor Brendan Camellato, absolwent w laboratorium Boeke. „Może to doprowadzić nas do nowej granicy inżynieryjnych terapii komórkowych, ponieważ możliwość umieszczania coraz dłuższych syntetycznych DNA umożliwia lepsze zrozumienie, jakie insercje będą tolerować genomy, a być może włączenie jednego lub większej liczby większych, kompletnych, zmodyfikowanych genów. ”

Odniesienie: „Syntetyczne odwrócone sekwencje ujawniają domyślne stany genomiczne” autorstwa Brendana R. Camellato, Ran Brosha, Hannah J. Ashe, Matthew T. Maurano i Jefa D. Boeke, 6 marca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07128-2