Скрытый механизм создания генов

Новое исследование раскрывает механизм генерации гомологов ДНК, которые могут привести к появлению новых генов микроРНК, проливая свет на происхождение генов и потенциально влияя на наше понимание структур РНК.

Исследователи из Хельсинкского университета открыли механизм, вызывающий мгновенные роды ДНК гомологов, что может привести к созданию новых генов микроРНК из некодирующих последовательностей ДНК. Это открытие было сделано при изучении ошибок репликации ДНК и их влияния на нее. РНК Молекулярные структуры дают новое представление о происхождении генов.

Сложность живых организмов закодирована в их генах, но откуда берутся эти гены? Исследователи из Хельсинкского университета решили нерешенные вопросы о происхождении малых регуляторных генов и описали механизм, создающий гомологию их ДНК. При правильных условиях эти гомологи превращаются в гены микроРНК.

Гены и белки: строительные блоки жизни

Геном человека содержит ок. Для построения белков используются 20 000 генов. Действия этих классических генов координируются тысячами регуляторных генов, самые маленькие из которых кодируют молекулы микроРНК длиной 22 пары оснований. Хотя число генов остается относительно постоянным, иногда в ходе эволюции появляются новые гены. Как и происхождение биологической жизни, происхождение новых генов продолжает интересовать ученых.

Решите чередующуюся головоломку

Все молекулы РНК требуют чередующихся наборов оснований, которые фиксируют молекулу в ее функциональной форме. Важно отметить, что вероятность случайных базовых мутаций, образующих такие постепенно чередующиеся пути, очень мала даже для простых генов микроРНК. Следовательно, происхождение этих чередующихся последовательностей озадачило исследователей. Эксперты Института биотехнологии Хельсинкского университета в Финляндии решили эту загадку, описав механизм, который может мгновенно генерировать полные гомологи ДНК, создавая тем самым новые гены микроРНК из ранее некодирующих последовательностей ДНК.

Понимание репликации ДНК

В рамках проекта, финансируемого Академией Финляндии, исследователи изучали ошибки репликации ДНК. Ари Луитиноя, руководитель проекта, сравнивает репликацию ДНК с печатью текста.

«ДНК копируется по одному основанию за раз, и мутации обычно представляют собой отдельные неправильные основания, как ошибочные штрихи на клавиатуре ноутбука. Мы изучали механизм, который приводит к более крупным ошибкам, таким как копирование и вставка текста из другого контекста. Нас это особенно интересовало. когда вы скопировали текст назад, чтобы создать симметричный текст.

Исследователи изучили механизм ошибок при репликации ДНК и заметили, что некоторые ошибки создают гомологи, которые могут трансформироваться в шпильковые структуры. Фото: Ари Лойтыноя.

Структуры РНК и ошибки ДНК.

Исследователи поняли, что ошибки репликации ДНК иногда могут быть полезны. Они рассказали об этих результатах Микко Фриландеру, эксперту в области биологии РНК. Он сразу увидел связь со строением молекул РНК.

«В молекуле РНК основания соседних гомологов могут спариваться и образовывать структуры, подобные шпилькам. Такие структуры необходимы для функционирования молекул РНК», — объясняет он.

Исследователи решили сосредоточиться на генах микроРНК из-за их простой структуры: гены очень короткие — всего несколько десятков оснований — и им приходится сворачиваться в шпильку, чтобы функционировать должным образом.

Основная идея заключалась в моделировании истории генов с помощью специального компьютерного алгоритма. По словам постдокторанта Хелле Монтейнен, это позволяет наиболее близко на сегодняшний день изучить происхождение генов.

«Известны полные геномы десятков приматов и млекопитающих. Сравнение их геномов показывает, какие из них Классифицировать Он обладает палиндромной парой микроРНК, которой у него нет. «Благодаря детальному моделированию истории мы можем видеть, что полные гомологи создаются в результате единичных мутаций», — говорит Монтинен.

Основная идея заключалась в моделировании истории генов, используя информацию о родственных видах. Моделирование показало, что гомологи генов микроРНК генерируются в результате одиночных мутаций. Фото: Ари Лойтыноя.

Археология и космополитизм

Сосредоточив внимание на людях и других приматах, исследователи из Хельсинки продемонстрировали, что недавно открытый механизм может объяснить как минимум четверть новых генов микроРНК. Поскольку подобные случаи были обнаружены и в других эволюционных линиях, механизм происхождения кажется универсальным.

В принципе, появление генов микроРНК настолько легко, что новые гены могут влиять на здоровье человека. Хелле Монтинен видит важность работы в более широком масштабе, например, в понимании основных принципов биологической жизни.

«Появление новых генов из ничего поразило исследователей. Теперь у нас есть элегантная модель эволюции генов РНК».

Хотя результаты основаны на небольших регуляторных генах, исследователи полагают, что результаты можно распространить на другие гены и молекулы РНК. Например, используя сырье, полученное с помощью недавно открытого механизма, естественный отбор может создавать более сложные структуры и функции РНК.

Исследование было опубликовано в С людьми.

Ссылка: «Генерация микроРНК de novo в результате переключения матрицы во время репликации ДНК», Хели А. М. Мёнттинен, Микко Дж. Фриландер и Ари Лойтыноя, 29 ноября 2023 г., Труды Национальной академии наук.
дои: 10.1073/pnas.2310752120