Nowe badanie ujawnia mechanizm generowania palindromów DNA, który może prowadzić do nowych genów mikroRNA, rzucając światło na pochodzenie genów i potencjalnie wpływając na nasze zrozumienie struktur RNA.

Naukowcy z Uniwersytetu w Helsinkach odkryli mechanizm, który generuje natychmiastowo DNA palindromy, co może prowadzić do powstania nowych genów mikroRNA z niekodujących sekwencji DNA. To odkrycie, którego dokonano podczas badania błędów replikacji DNA i ich wpływu na RNA struktur molekularnych, oferuje nowy wgląd w pochodzenie genów.

Złożoność żywych organizmów jest zakodowana w ich genach, ale skąd te geny pochodzą? Naukowcy z Uniwersytetu w Helsinkach rozwiązali nierozstrzygnięte pytania dotyczące pochodzenia małych genów regulatorowych i opisali mechanizm tworzący ich palindromy DNA. W odpowiednich okolicznościach te palindromy ewoluują w geny mikroRNA.

Geny i białka: elementy składowe życia

Genom człowieka zawiera ok. 20 000 genów wykorzystywanych do budowy białek. Działania tych klasycznych genów są koordynowane przez tysiące genów regulatorowych, z których najmniejsze kodują cząsteczki mikroRNA o długości 22 par zasad. Chociaż liczba genów pozostaje względnie stała, czasami w trakcie ewolucji pojawiają się nowe geny. Podobnie jak geneza życia biologicznego, pochodzenie nowych genów nadal fascynuje naukowców.

Rozwiązywanie zagadki palindromicznej

Wszystkie cząsteczki RNA wymagają palindromicznych ciągów zasad, które blokują cząsteczkę w jej funkcjonalnej konformacji. Co ważne, szanse na to, że losowe mutacje zasad stopniowo utworzą takie ciągi palindromowe, są niezwykle małe, nawet w przypadku prostych genów mikroRNA. Dlatego pochodzenie tych sekwencji palindromowych zaintrygowało badaczy. Eksperci z Instytutu Biotechnologii Uniwersytetu w Helsinkach w Finlandii rozwiązali tę zagadkę, opisując mechanizm, który może natychmiastowo wygenerować kompletne palindromy DNA i w ten sposób stworzyć nowe geny mikroRNA z wcześniej niekodujących sekwencji DNA.

Spostrzeżenia dotyczące replikacji DNA

W projekcie finansowanym przez Akademię Fińską naukowcy badali błędy w replikacji DNA. Ari Löytynoja, lider projektu, porównuje replikację DNA z pisaniem tekstu.

„DNA jest kopiowane jedna zasada na raz i zazwyczaj mutacje są błędnymi pojedynczymi zasadami, jak błędne uderzenia w klawiaturę laptopa. Przebadaliśmy mechanizm powodujący większe błędy, taki jak kopiowanie i wklejanie tekstu z innego kontekstu. Szczególnie interesowały nas przypadki, w których tekst kopiowano wstecz, tworząc palindrom”.

Naukowcy zbadali mechanizm błędów w replikacji DNA i zauważyli, że niektóre błędy tworzą palindromy, które mogą składać się w struktury typu spinki do włosów. Źródło: Ari Löytynoja

Struktury RNA i błędy DNA

Naukowcy przyznali, że błędy w replikacji DNA mogą czasami być korzystne. Opisali te odkrycia Mikko Frilanderowi, ekspertowi w dziedzinie biologii RNA. Od razu dostrzegł związek ze strukturą cząsteczek RNA.

„W cząsteczce RNA zasady sąsiadujących palindromów mogą łączyć się w pary i tworzyć struktury przypominające spinkę do włosów. Takie struktury są kluczowe dla funkcjonowania cząsteczek RNA” – wyjaśnia.

Naukowcy postanowili skupić się na genach mikroRNA ze względu na ich prostą strukturę: geny są bardzo krótkie – zaledwie kilkadziesiąt zasad – i aby prawidłowo funkcjonować, muszą złożyć się w strukturę typu spinki do włosów.

Najważniejszym odkryciem było modelowanie historii genów przy użyciu niestandardowego algorytmu komputerowego. Według habilitowanego badacza Heli Mönttinena umożliwia to jak dotąd najściślejsze zbadanie pochodzenia genów.

„Znany jest cały genom kilkudziesięciu naczelnych i ssaków. Porównanie ich genomów ujawnia, który gatunek mają parę palindromów mikroRNA, a które jej nie mają. Dzięki szczegółowemu modelowaniu historii mogliśmy zobaczyć, że całe palindromy powstają w wyniku pojedynczych mutacji” – mówi Mönttinen.

Głównym odkryciem było modelowanie historii genów przy użyciu informacji od pokrewnych gatunków. Modelowanie wykazało, że palindromy genów mikroRNA powstają w wyniku pojedynczych mutacji. Źródło: Ari Löytynoja

Implikacje i uniwersalność

Koncentrując się na ludziach i innych naczelnych, badacze z Helsinek wykazali, że nowo odkryty mechanizm może wyjaśnić co najmniej jedną czwartą nowych genów mikroRNA. Ponieważ podobne przypadki znaleziono w innych liniach ewolucyjnych, mechanizm pochodzenia wydaje się uniwersalny.

W zasadzie powstanie genów mikroRNA jest tak łatwe, że nowe geny mogą mieć wpływ na zdrowie człowieka. Heli Mönttinen widzi znaczenie dzieła szerzej, na przykład w zrozumieniu podstawowych zasad życia biologicznego.

„Pojawienie się nowych genów z niczego zafascynowało badaczy. Mamy teraz elegancki model ewolucji genów RNA” – podkreśla.

Chociaż wyniki opierają się na małych genach regulatorowych, naukowcy uważają, że ustalenia można uogólnić na inne geny i cząsteczki RNA. Na przykład, wykorzystując surowce generowane przez nowo odkryty mechanizm, dobór naturalny może stworzyć znacznie bardziej złożone struktury i funkcje RNA.

Badanie zostało opublikowane w PNAS.

Odniesienie: „Generowanie de novo miRNA z przełączania szablonów podczas replikacji DNA”, Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander i Ari Löytynoja, 29 listopada 2023 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2310752120