Wissenschaftler entschlüsseln die mysteriösen DNA-Regeln, die in allen Arten verborgen sind

Eine neue Studie zeigt, dass Hefe in einzelligen Pilzen „zufällig“ vorkommt. DNA„Von Natur aus aktiv, während in Säugetierzellen diese DNA in ihrem natürlichen Zustand ausgeschaltet ist, obwohl sie vor einer Milliarde Jahren einen gemeinsamen Vorfahren und die gleiche grundlegende molekulare Maschinerie hatten.

Die neue Entdeckung dreht sich um den Prozess, bei dem die genetischen Anweisungen der DNA zunächst in eine verwandte Substanz namens … umgewandelt werden. RNA Und dann zu den Proteinen, aus denen die Strukturen und Signale des Körpers bestehen. In Hefen, Mäusen und Menschen findet der erste Schritt der Genexpression, die Transkription, statt, bei dem die molekularen „Buchstaben“ der DNA (Nukleobasen) in eine Richtung gelesen werden. Während 80 % des menschlichen Genoms – die gesamte DNA-Sammlung in unseren Zellen – aktiv in RNA entschlüsselt wird, kodieren weniger als 2 % davon tatsächlich für die Gene, die den Aufbau von Proteinen steuern.

Ein seit langem bestehendes Rätsel in der Genomik ist die Frage, was diese nicht-genbezogene Transkription bewirkt. Ist es nur Lärm, ein Nebeneffekt der Evolution, oder hat es Funktionen?

Ein Forschungsteam an der NYU Langone Health versuchte, diese Frage zu beantworten, indem es ein großes synthetisches Gen schuf, dessen DNA-Code in umgekehrter Reihenfolge zu seinem natürlichen Elternteil ist. Anschließend fügten sie synthetische Gene in Hefe- und Mausstammzellen ein und überwachten jeweils die Transkriptwerte. Im Magazin veröffentlicht Natur, Die neue Studie zeigt, dass das genetische System in Hefen so eingestellt ist, dass fast alle Gene kontinuierlich transkribiert werden, während in Säugetierzellen derselbe „Standardzustand“ darin besteht, die Transkription auszuschalten.

Methodik und Ergebnisse

Interessanterweise, sagen die Studienautoren, bedeutete die umgekehrte Reihenfolge des Codes, dass alle Mechanismen, die sich in Hefe- und Säugetierzellen entwickelten, um die Transkription ein- oder auszuschalten, fehlten, weil der umgekehrte Code Unsinn war. Allerdings spiegelt der umgekehrte Code wie ein Spiegelbild einige der grundlegenden Muster wider, die im natürlichen Code vorkommen, und zwar in Bezug darauf, wie oft DNA-Buchstaben vorhanden sind, woran sie liegen und wie oft sie wiederholt werden. Da der Reverse-Code 100.000 molekulare Buchstaben lang ist, stellte das Team fest, dass er zufällig viele kleine Abschnitte eines bisher unbekannten Codes enthielt, der die Transkription in Hefe wahrscheinlich häufiger startete und in Säugetierzellen stoppte.

„Die Unterschiede zwischen virtuellen Versionen verstehen Klassifizieren „Die Genetik wird uns helfen, besser zu verstehen, welche Teile des genetischen Codes Funktionen haben und was evolutionäre Unfälle sind“, sagte der korrespondierende Autor Jeff Buckey, Ph.D., Direktor des Genetics Institute an der NYU Langone Health. „Dies wiederum verspricht, die Hefetechnik bei der Herstellung neuer Medikamente und Gentherapien anzuleiten oder uns sogar dabei zu helfen, neue Gene zu finden, die im riesigen Code verborgen sind.“

Diese Arbeit untermauert die Theorie, dass der sehr aktive Transkriptionszustand von Hefe so fein abgestimmt ist, dass fremde DNA beispielsweise selten in Hefe injiziert wird Virus Da es sich selbst kopiert, ist es wahrscheinlicher, dass es in RNA transkribiert wird. Wenn diese RNA ein Protein mit einer nützlichen Funktion aufbaut, bleibt der Code durch die Evolution als neues Gen erhalten. Anders als der einzellige Organismus in Hefe, der sich riskante neue Gene leisten kann, die die Evolution schneller vorantreiben, haben Säugetierzellen als Teil von Körpern, die Millionen kooperierender Zellen enthalten, weniger Freiheit, jedes Mal neue DNA einzubauen, wenn die Zelle auf ein Virus trifft. Mehrere Regulierungsmechanismen schützen den sorgfältig ausbalancierten Code in seiner jetzigen Form.

Große DNA

Die neue Studie musste die Größe der DNA-Stränge berücksichtigen, da es im menschlichen Genom 3 Milliarden „Buchstaben“ gibt und einige Gene 2 Millionen Buchstaben lang sind. Während gängige Techniken es ermöglichen, Änderungen Buchstabe für Buchstabe vorzunehmen, sind einige technische Aufgaben effizienter, wenn Forscher DNA von Grund auf aufbauen, weitreichende Änderungen an großen Teilen vorkompilierten Codes vornehmen und ihn in einer Zelle anstelle seines natürlichen Gegenstücks ersetzen. Da menschliche Gene so komplex sind, entwickelte Buckys Labor zunächst den Ansatz der „Genomtypisierung“ in Hefe, hat ihn jedoch kürzlich modifiziert, um ihn an den genetischen Code von Säugetieren anzupassen. Die Studienautoren verwenden Hefezellen, um in einem einzigen Schritt lange DNA-Sequenzen zusammenzusetzen und sie dann in embryonale Stammzellen von Mäusen einzuschleusen.

Für die aktuelle Studie befasste sich das Forschungsteam mit der Frage nach dem Ausmaß der transkriptionellen Ausbreitung über die Evolution hinweg, indem es einen synthetischen 101-Kilobasen-Abschnitt manipulierter DNA einführte – das menschliche Hypoxanthin-Phosphoribosyltransferase-1-Gen (HPRT1) in umgekehrter Kodierungsreihenfolge. Sie beobachteten eine weit verbreitete Aktivität des Gens in Hefe, obwohl es keinen Nonsense-Code für Promotoren gab, bei denen es sich um DNA-Schnipsel handelt, die sich entwickelt haben, um den Beginn der Transkription zu signalisieren.

Darüber hinaus identifizierte das Team kleine Sequenzen im Reverse-Code, sich wiederholende Abschnitte von Adenosin- und Thymin-Bausteinen, die bekanntermaßen von Transkriptionsfaktoren erkannt werden, bei denen es sich um Proteine ​​handelt, die an DNA binden, um die Transkription zu initiieren. Solche Sequenzen, die nur 5 bis 15 Buchstaben lang sind, können leicht zufällig auftreten und könnten teilweise den hochaktiven Standardzustand der Hefe erklären, sagten die Autoren.

Im Gegenteil, das gleiche Symbol ist umgekehrt, Es wurde in das Genom embryonaler Stammzellen der Maus eingeführt und verursachte keine umfassende Transkription. In diesem Szenario wurde die Transkription unterdrückt, obwohl fortgeschrittene CpG-Dinukleotide, von denen bekannt ist, dass sie Gene stoppen (stilllegen), im umgekehrten Code nicht wirksam waren. Das Team geht davon aus, dass andere wesentliche Elemente im Säugetiergenom die Transkription möglicherweise viel stärker einschränken als in Hefe, möglicherweise durch die direkte Rekrutierung eines Proteinkomplexes (des Multi-CD-Komplexes), der für die Gen-Stilllegung bekannt ist.

„Je näher wir der Einführung des ‚Genomwerts‘ von Nonsense-DNA in lebende Zellen kommen, desto besser können sie ihn mit dem tatsächlichen, sich entwickelnden Genom vergleichen“, sagte Erstautor Brendan Camillato, ein Doktorand in Buckeys Labor. „Dies könnte uns zu neuen Grenzen der manipulierten Zelltherapien führen, da die Möglichkeit, immer längere synthetische DNA einzufügen, ein besseres Verständnis dafür ermöglicht, was die eingefügten Genome tolerieren, und möglicherweise die Einbeziehung eines oder mehrerer größerer, vollständig manipulierter Gene ermöglicht.“ ”

Referenz: „Invertierte synthetische Sequenzen offenbaren mutmaßliche genomische Zustände“ von Brendan R. Camellato, Ran Brosh und Hannah J. Ash und Matthew T. Morano und Jeff D. Bucky, 6. März 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2