Ученые расшифровывают загадочные правила ДНК, скрытые у разных видов

Новое исследование показало, что «случайная ДНК» активно транскрибируется у дрожжей, но остается в основном неактивной в клетках млекопитающих, хотя оба организма имеют общего предка и молекулярный механизм. Это исследование включало введение синтетического гена в обратном порядке в стволовые клетки дрожжей и мыши, что выявило значительные различия в транскрипционной активности. Результаты показывают, что, хотя дрожжевые клетки транскрибируют почти все гены, клетки млекопитающих естественным образом подавляют транскрипцию. Это исследование не только бросает вызов нашему пониманию транскрипции генов у разных видов, но и имеет значение для будущего генной инженерии и открытия новых генов.

Новое исследование показывает, что у одноклеточных грибов дрожжи действуют «случайно». ДНК«Естественно активна, тогда как в клетках млекопитающих эта ДНК отключена в своем естественном состоянии в клетках млекопитающих, несмотря на то, что у нее был общий предок миллиард лет назад и один и тот же базовый молекулярный механизм.

Новое открытие связано с процессом, посредством которого генетические инструкции ДНК сначала преобразуются в родственное вещество, называемое… РНК А затем к белкам, из которых состоят структуры и сигналы организма. У дрожжей, мышей и человека происходит первый этап экспрессии генов — транскрипция, при котором молекулярные «буквы» ДНК (нуклеотидные основания) читаются в одном направлении. Хотя 80% человеческого генома — вся совокупность ДНК в наших клетках — эффективно декодируется в РНК, менее 2% генома фактически кодируют гены, которые управляют построением белков.

Давняя загадка геномики заключается в том, чего достигает вся эта не связанная с генами транскрипция. Это просто шум, побочный эффект эволюции, или у него есть функции?

Исследовательская группа из NYU Langone Health попыталась ответить на этот вопрос, создав большой синтетический ген, код ДНК которого находится в обратном порядке от его естественного родителя. Затем они вставили синтетические гены в стволовые клетки дрожжей и мышей и отслеживали уровни транскриптов в каждой из них. Опубликовано в журнале природа, Новое исследование показывает, что у дрожжей генетическая система настроена так, что почти все гены непрерывно транскрибируются, тогда как в клетках млекопитающих такое же «состояние по умолчанию» заключается в отключении транскрипции.

Методология и результаты

Интересно, говорят авторы исследования, что обратный порядок кода означал, что все механизмы, которые развились в клетках дрожжей и млекопитающих для включения или выключения транскрипции, отсутствовали, потому что обратный код был абсурдным. Однако, подобно зеркальному отображению, перевернутый код отражает некоторые основные закономерности, которые появляются в естественном коде с точки зрения того, как часто присутствуют буквы ДНК, к чему они близки и как часто они повторяются. Поскольку длина обратного кода составляет 100 000 молекулярных букв, команда обнаружила, что он случайным образом включает множество небольших участков ранее неизвестного кода, который, вероятно, чаще запускает транскрипцию у дрожжей и останавливает ее в клетках млекопитающих.

«Понимание различий между виртуальными версиями Классифицировать «Генетика поможет нам лучше понять, какие части генетического кода имеют функции и что такое эволюционные случайности», — сказал автор исследования Джефф Бакки, доктор философии, директор Института генетики в NYU Langone Health. «Это, в свою очередь, обещает помочь дрожжевой инженерии создавать новые лекарства, создавать новые методы генной терапии или даже помогать нам находить новые гены, спрятанные в массивном коде».

Эта работа подтверждает теорию о том, что очень активное состояние транскрипции дрожжей настолько тонко настроено, что чужеродная ДНК редко вводится в дрожжи, например, вирус Поскольку он копирует сам себя, он с большей вероятностью будет транскрибирован в РНК. Если эта РНК построит белок с полезной функцией, код сохранится в ходе эволюции в виде нового гена. В отличие от одноклеточного организма дрожжей, который может позволить себе новые рискованные гены, ускоряющие эволюцию, клетки млекопитающих, как часть тел, содержащих миллионы взаимодействующих клеток, менее свободны для включения новой ДНК каждый раз, когда клетка сталкивается с вирусом. Несколько механизмов регулирования защищают тщательно сбалансированный код в его нынешнем виде.

Большая ДНК

Новому исследованию пришлось принять во внимание размер нитей ДНК, поскольку в геноме человека 3 миллиарда «букв», а длина некоторых генов составляет 2 миллиона букв. Хотя популярные методы позволяют вносить изменения по буквам, некоторые инженерные задачи становятся более эффективными, если исследователи создают ДНК с нуля, внося далеко идущие изменения в большие фрагменты предварительно скомпилированного кода и заменяя его в клетке, а не его естественный аналог. Поскольку человеческие гены очень сложны, лаборатория Баки сначала разработала подход «написания генома» на дрожжах, но недавно адаптировала его к генетическому коду млекопитающих. Авторы исследования используют дрожжевые клетки для сборки длинных последовательностей ДНК за один этап, а затем доставляют их в эмбриональные стволовые клетки мыши.

В текущем исследовании исследовательская группа обратилась к вопросу о степени распространения транскрипции в ходе эволюции, введя синтетический участок сконструированной ДНК длиной 101 килобаз — ген гипоксантинфосфорибозилтрансферазы 1 человека (HPRT1) в обратном порядке кодирования. Они наблюдали широко распространенную активность этого гена у дрожжей, несмотря на отсутствие бессмысленного кода для промоторов — фрагментов ДНК, которые эволюционировали, чтобы сигнализировать о начале транскрипции.

Кроме того, команда определила небольшие последовательности в обратном коде, повторяющиеся участки строительных блоков аденозина и тимина, которые, как известно, распознаются факторами транскрипции, то есть белками, которые связываются с ДНК для инициации транскрипции. Такие последовательности длиной всего от 5 до 15 букв могут легко возникать случайным образом и могут частично объяснить высокоактивное дефолтное состояние дрожжей, говорят авторы.

Напротив, тот же перевернутый символ, Вставленный в геном эмбриональных стволовых клеток мыши, он не вызывал обширной транскрипции. В этом сценарии транскрипция подавлялась, хотя продвинутые динуклеотиды CpG, которые, как известно, останавливают (замалчивают) гены, не были эффективны в обратном коде. Команда полагает, что другие важные элементы генома млекопитающих могут ограничивать транскрипцию гораздо сильнее, чем у дрожжей, возможно, за счет прямого рекрутирования белкового комплекса (комплекса мульти-CD), известного за молчание генов.

«Чем ближе мы подойдем к внедрению «геномной ценности» бессмысленной ДНК в живые клетки, тем лучше они смогут сравнить ее с реальным, развивающимся геномом», — сказал первый автор Брендан Камиллато, аспирант лаборатории Баки. «Это может привести нас к новым горизонтам в области инженерной клеточной терапии, поскольку возможность вставлять все более длинную синтетическую ДНК позволяет лучше понять, что будут переносить вставленные геномы, и, возможно, включить один или несколько более крупных, полностью сконструированных генов. »

Ссылка: «Инвертированные синтетические последовательности выявляют предполагаемые геномные состояния», Брендан Р. Камеллато, Ран Брош и Ханна Дж. Эш и Мэтью Т. Морано и Джефф Д. Баки, 6 марта 2024 г., природа.
дои: 10.1038/s41586-024-07128-2