Сложность живых организмов закодирована в их генах, но откуда берутся эти гены? Исследователи из Хельсинкского университета разрешили нерешенные вопросы о происхождении малых регуляторных генов и описали механизм, который создает их ДНК-палиндромы. При подходящих обстоятельствах эти палиндромы эволюционируют в гены микроРНК.

Геном человека содержит около 20 000 генов, которые используются для конструирования белков. Действия этих классических генов координируются тысячами регуляторных генов, самые маленькие из которых кодируют молекулы микроРНК длиной в 22 пары оснований. Хотя количество генов остается относительно постоянным, иногда в ходе эволюции появляются новые гены. Подобно зарождению биологической жизни, происхождение новых генов продолжает завораживать учёных.

Всем молекулам РНК требуются палиндромные последовательности оснований, которые фиксируют молекулу в ее функциональной конформации. Важно отметить, что вероятность того, что случайные мутации оснований постепенно сформируют такие палиндромные участки, крайне мала даже для простых генов микроРНК.

Поэтому происхождение этих палиндромных последовательностей озадачивало исследователей. Эксперты из Института биотехнологии Хельсинкского университета, Финляндия, разрешили эту загадку, описав механизм, который может мгновенно генерировать полные ДНК-палиндромы и, таким образом, создавать новые микроРНК-гены из ранее некодирующих последовательностей ДНК.

В своем проекте исследователи изучали ошибки при репликации ДНК. Ари Лейтиноя, руководитель проекта, сравнивает репликацию ДНК с набором текста.

«ДНК копируется по одному основанию за раз, и обычно мутации представляют собой ошибочные единичные основания, подобные неправильным нажатиям на клавиатуре ноутбука. Мы изучали механизм, создающий более крупные ошибки, например, копирование-вставку текста из другого контекста. Нас особенно заинтересовали случаи, когда текст копировался в обратном направлении (задом наперёд), создавая палиндром».

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

«В молекуле РНК основания соседних палиндромов могут соединяться и образовывать структуры, напоминающие шпильку. Такие структуры имеют решающее значение для функционирования молекул РНК», — объясняет он.


Главной идеей стало моделирование истории генов с использованием информации от родственных видов. Моделирование показало, что палиндромы генов микроРНК образуются в результате единичных мутаций.

Исследователи решили сосредоточиться на микроРНК-генах из-за их простой структуры: гены очень короткие — всего несколько десятков оснований — и для правильного функционирования им приходится сворачиваться в шпильку.

Главной идеей стало моделирование истории генов с помощью специального компьютерного алгоритма. По словам постдокторанта Хели Менттинен, это позволяет наиболее близко изучить происхождение генов на сегодняшний день.

«Известен полный геном десятков приматов и млекопитающих. Сравнение их геномов показывает, у каких видов есть палиндромная пара микроРНК, а у каких она отсутствует. С помощью детального моделирования истории мы смогли увидеть, что целые палиндромы создаются в результате единичных мутаций», — говорит Менттинен.

На примере человека и других приматов исследователи из Хельсинки продемонстрировали, что недавно найденный механизм может объяснить по крайней мере четверть новых микроРНК-генов. Поскольку подобные случаи были обнаружены и в других эволюционных линиях, механизм возникновения кажется универсальным.

В принципе, возникновение микроРНК-генов настолько просто, что новые гены могут повлиять на здоровье человека. Хели Менттинен видит значение этой работы в более широком смысле, например, в понимании основных принципов биологической жизни.

«Появление новых генов из ничего восхищает исследователей. Теперь у нас есть элегантная модель эволюции РНК-генов», — подчеркивает она.

Хотя результаты исследования основаны на небольших регуляторных генах, ученые считают, что полученные данные можно обобщить на другие РНК-гены и молекулы. Например, используя исходные материалы, генерируемые недавно найденным механизмом, естественный отбор может создавать гораздо более сложные структуры и функции РНК.


Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

the National Academy of Sciences.

Дополнительная информация: Heli A. M. Mönttinen et al, Generation of de novo miRNAs from template switching during DNA replication, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2310752120

Информация о журнале: Proceedings of the National Academy of Sciences

Предоставлено Хельсинкским университетом


Источник: phys.org