_ ADN-ul sintetic face lumină asupra diferențelor misterioase dintre celule vii în diferite momente ale evoluției

„ADN-ul aleatoriu” este activ în mod natural în drojdia ciuperci unicelulare, în timp ce astfel de ADN este dezactivat ca stare naturală în celulele de mamifere, în ciuda faptului că au un strămoș comun. Acum miliarde de ani și aceeași mașinărie moleculară de bază, constată un nou studiu.

Noua descoperire se învârte în jurul procesului prin care instrucțiunile genetice ale ADN-ului sunt convertite mai întâi într-un material înrudit numit ARN și apoi în proteine ​​care formează structurile și semnalele corpului. La drojdii, șoareci și oameni, primul pas în expresia unei gene, transcripția, se desfășoară pe măsură ce „litere” moleculare ADN (nucleobaze) sunt citite într-o singură direcție. În timp ce 80% din genomul uman - setul complet de ADN din celulele noastre - este decodat activ în ARN, mai puțin de 2% codifică de fapt genele care direcționează construirea proteinelor.

Un mister de lungă durată în genomică. atunci este ceea ce realizează toată această transcripție care nu are legătură cu genele. Este doar zgomot, un efect secundar al evoluției sau are funcții?

O echipă de cercetare de la NYU Langone Health a încercat să răspundă la întrebare creând o genă mare, sintetică, cu codul său ADN invers. comanda de la părintele său natural. Apoi au introdus gena sintetică în celulele stem de drojdie și de șoarece și au urmărit nivelurile de transcripție în fiecare.

Publicat în revista Nature, noul studiu dezvăluie că în drojdie sistemul genetic este setat astfel încât aproape toate genele sunt continuu. transcris, în timp ce aceeași „stare implicită” în celulele de mamifere este că transcripția este dezactivată.

Interesant, spun autorii studiului, ordinea inversă a codului a însemnat că toate mecanismele care au evoluat în drojdie iar celulele de mamifere pentru a activa sau dezactiva transcripția au lipsit deoarece codul inversat era un nonsens. Totuși, ca o imagine în oglindă, codul inversat reflecta unele modele de bază văzute în codul natural în ceea ce privește cât de des au fost prezente literele ADN, ce s-au apropiat și cât de des au fost repetate.

Cu Codul inversat având o lungime de 100.000 de litere moleculare, echipa a descoperit că a inclus aleatoriu multe porțiuni mici de cod necunoscut anterior, care probabil au început transcrierea mult mai des drojdie și l-au oprit în celulele de mamifere.

„Înțelegerea diferențelor de transcripție implicite. între specii ne va ajuta să înțelegem mai bine ce părți ale codului genetic au funcții și care sunt accidente ale evoluției”, a spus autorul corespondent Jef Boeke, Ph.D., directorul Sol și Judith Bergstein al Institutului de Genetică a Sistemelor de la NYU. Langone Health.

„Acesta, la rândul său, promite să ghideze ingineria drojdiei pentru a produce noi medicamente sau pentru a crea noi terapii genetice sau chiar pentru a ne ajuta să găsim noi gene îngropate în vastul cod.”

Lucrarea conferă pondere teoriei conform căreia starea transcripțională foarte activă a drojdiei este stabilită astfel încât ADN-ul străin, rar injectat în drojdie, de exemplu, de către un virus, pe măsură ce se copiază, este probabil să fie transcris în ARN. Dacă acel ARN construiește o proteină cu o funcție utilă, codul va fi păstrat de evoluție ca o nouă genă.

Spre deosebire de un organism unicelular din drojdie, care își poate permite noi gene riscante care conduc la o evoluție mai rapidă, celulele de mamifere, ca parte a corpurilor cu milioane de celule cooperante, sunt mai puțin libere să încorporeze ADN nou de fiecare dată când o celulă întâlnește un virus. Multe mecanisme de reglementare protejează codul delicat echilibrat așa cum este.

Noul studiu a trebuit să țină seama de dimensiunea lanțurilor de ADN, cu 3 miliarde de „litere” incluse în genomul uman, iar unele gene fiind de 2 milioane. litere lungi. În timp ce tehnicile celebre permit efectuarea modificărilor literă cu literă, unele sarcini de inginerie sunt mai eficiente dacă cercetătorii construiesc ADN-ul de la zero, cu modificări profunde făcute în ramuri mari de cod pre-asamblat schimbat într-o celulă în locul omologul său natural.

Deoarece genele umane sunt atât de complexe, laboratorul lui Boeke și-a dezvoltat mai întâi abordarea de „scriere a genomului” în drojdie, dar apoi a adaptat-o ​​recent la codul genetic al mamiferelor. Autorii studiului folosesc celule de drojdie pentru a asambla secvențe lungi de ADN într-un singur pas și apoi le livrează în celulele stem embrionare de șoarece.

Pentru studiul actual, echipa de cercetare a abordat întrebarea cu privire la cât de pervazivă este transcripția. evoluție prin introducerea unei întinderi sintetice de 101 kilobaze de ADN proiectat - gena umană hipoxantin fosforibozil transferaza 1 (HPRT1) în ordine inversă de codare. Ei au observat o activitate larg răspândită a genei în drojdie, în ciuda lipsei codului absurd al promotorilor, fragmente de ADN care au evoluat pentru a semnala începerea transcripției.

În plus, echipa a identificat secvențe mici în codul inversat, întinderi repetate de adenozină și timină blocuri de construcție, cunoscute a fi recunoscute de factorii de transcripție, proteine ​​care se leagă de ADN pentru a iniția transcripția. Cu doar cinci până la 15 litere, astfel de secvențe ar putea apărea cu ușurință aleatoriu și ar putea explica parțial starea implicită a drojdiei foarte activă, au spus autorii.

Dimpotrivă, același cod inversat, inserat în genomul șoarecelui. celule stem embrionare, nu au provocat transcripție pe scară largă. În acest scenariu, transcripția a fost reprimată chiar dacă dinucleotidele CpG evoluate, cunoscute pentru a închide în mod activ genele (tăcere), nu au fost funcționale în codul invers.

Echipa presupune că alte elemente de bază din genomul mamiferelor ar putea restrângeți transcripția mult mai mult decât în ​​drojdie și poate prin recrutarea directă a unui grup de proteine ​​(complexul polycomb) cunoscut pentru a reduce genele la tăcere.

„Cu cât ne apropiem de introducerea unui ADN prostesc în valoare de „genom” în celule vii, cu atât mai bine îl pot compara cu genomul real, evoluat”, a spus primul autor Brendan Camellato, un student absolvent în laboratorul lui Boeke.

„Acest lucru ne-ar putea conduce la o nouă frontieră a terapiilor celulare proiectate. , deoarece capacitatea de a introduce ADN-uri sintetice din ce în ce mai lungi permite o mai bună înțelegere a inserțiilor pe care le vor tolera genomii și, probabil, includerea uneia sau a mai multor gene mai mari, complete, proiectate.”

Împreună cu Boeke și Camellato, Autorii studiului NYU Langone au fost Ran Brosh, Hannah Ashe și Matthew Maurano.

(Fluierul)