|
Таинственные различия между живыми клетками
|
|
|
|
Новое исследование показало, что "случайная ДНК" естественным образом активна в одноклеточных грибах-дрожжах, в то время как такая ДНК выключена в своем естественном состоянии в клетках млекопитающих, несмотря на то, что у них был общий предок миллиард лет назад и один и тот же базовый молекулярный механизм. Новое открытие вращается вокруг процесса, посредством которого генетические инструкции ДНК преобразуются сначала в родственный материал, называемый РНК, а затем в белки, которые составляют структуры и сигналы организма. У дрожжей, мышей и людей первый этап экспрессии гена, транскрипция, происходит по мере того, как молекулярные "буквы" ДНК (нуклеиновые основания) считываются в одном направлении. В то время как 80% генома человека — полный набор ДНК в наших клетках — активно расшифровывается в РНК, менее 2% на самом деле кодирует гены, которые управляют построением белков. Давняя загадка геномики заключается в том, чего добивается вся эта транскрипция, не связанная с генами. 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 с кодом ДНК, расположенным в обратном порядке от его естественного родителя. Затем они поместили синтетический ген в стволовые клетки дрожжей и мыши и наблюдали за уровнем транскрипции в каждой из них. Опубликованное в журнале Nature новое исследование показывает, что у дрожжей генетическая система настроена таким образом, что почти все гены постоянно транскрибируются, в то время как в клетках млекопитающих "состояние по умолчанию" таково, что транскрипция отключена. Интересно, что, по словам авторов исследования, обратный порядок кода означал, что все механизмы, которые эволюционировали в клетках дрожжей и млекопитающих для включения или выключения транскрипции, отсутствовали, потому что обратный код был бессмыслицей. Однако, подобно зеркальному отражению, перевернутый код отражал некоторые основные закономерности, наблюдаемые в естественном коде, с точки зрения того, как часто присутствовали буквы ДНК, рядом с чем они располагались и как часто повторялись.
|
|
|
Поскольку длина обратного кода составляла 100 000 молекулярных букв, команда обнаружила, что он случайным образом включал множество небольших участков ранее неизвестного кода, которые, вероятно, запускали транскрипцию гораздо чаще у дрожжей и останавливали ее в клетках млекопитающих. "Понимание различий в транскрипции по умолчанию у разных видов поможет нам лучше понять, какие части генетического кода выполняют функции, а какие являются случайностями эволюции", - сказал автор-корреспондент Джеф Боке, доктор философии, директор Института системной генетики при Нью-Йоркском университете здравоохранения Лангоне. "Это, в свою очередь, обещает направлять разработку дрожжей для производства новых лекарств, или создания новых методов генной терапии, или даже помочь нам найти новые гены, спрятанные в обширном коде". Эта работа придает вес теории о том, что очень активное транскрипционное состояние дрожжей задано таким образом, что чужеродная ДНК, редко вводимая в дрожжи, например, вирусом, поскольку он копирует сам себя, скорее всего, будет транскрибирована в РНК. Если эта РНК построит белок с полезной функцией, код будет сохранен эволюцией в виде нового гена.
|
|
|
|
В отличие от одноклеточных организмов, таких как дрожжи, которые могут позволить себе рискованные новые гены, ускоряющие эволюцию, клетки млекопитающих, как часть организма с миллионами взаимодействующих клеток, менее свободны для включения новой ДНК каждый раз, когда клетка сталкивается с вирусом. Множество регуляторных механизмов защищают тонко сбалансированный код таким, какой он есть. Новое исследование должно было учитывать размер цепочек ДНК: в геном человека включено 3 миллиарда "букв", а длина некоторых генов составляет 2 миллиона букв. В то время как известные методы позволяют вносить изменения буква за буквой, некоторые инженерные задачи решаются более эффективно, если исследователи создают ДНК с нуля, при этом масштабные изменения вносятся в большие участки предварительно собранного кода, помещаемого в клетку вместо ее естественного аналога. Поскольку человеческие гены настолько сложны, лаборатория Боке сначала разработала свой подход к "написанию генома" у дрожжей, но затем недавно адаптировала его к генетическому коду млекопитающих. Авторы исследования используют дрожжевые клетки для сборки длинных последовательностей ДНК за один шаг, а затем доставляют их в эмбриональные стволовые клетки мыши.
|
|
|
|
В текущем исследовании исследовательская группа рассмотрела вопрос о том, насколько распространена транскрипция на протяжении всей эволюции, введя синтетический участок инженерной ДНК длиной 101 килобазу — человеческий ген гипоксантинфосфорибозилтрансферазы 1 (HPRT1) в обратном порядке кодирования. Они наблюдали широко распространенную активность гена у дрожжей, несмотря на отсутствие в нонсенс-коде промоторов, фрагментов ДНК, которые эволюционировали, чтобы сигнализировать о начале транскрипции. Кроме того, команда идентифицировала небольшие последовательности в обратном коде, повторяющиеся участки строительных блоков аденозина и тимина, которые, как известно, распознаются факторами транскрипции, белками, которые связываются с ДНК для инициации транскрипции. По словам авторов, такие последовательности длиной всего от пяти до 15 букв могут легко возникать случайным образом и могут частично объяснять очень активное состояние дрожжей по умолчанию. Напротив, тот же самый обратный код, введенный в геном эмбриональных стволовых клеток мыши, не вызвал широкой транскрипции.
|
|
|
|
В этом сценарии транскрипция была подавлена, даже несмотря на то, что эволюционировавшие CpG-динуклеотиды, которые, как известно, активно отключают гены, не функционировали в обратном коде. Команда предполагает, что другие базовые элементы в геноме млекопитающих могут ограничивать транскрипцию гораздо сильнее, чем у дрожжей, и, возможно, путем прямого привлечения белковой группы (комплекса polycomb), которая, как известно, подавляет гены. "Чем ближе мы подходим к внедрению "полноценной геномной" бессмысленной ДНК в живые клетки, тем лучше они могут сравнить ее с реальным эволюционировавшим геномом", - сказал первый автор Брендан Камеллато, аспирант лаборатории Боке. "Это может привести нас к новым рубежам инженерной клеточной терапии, поскольку способность вводить все более длинные синтетические ДНК позволяет лучше понять, какие вставки будут переноситься геномами, и, возможно, включить один или несколько более крупных, полных, сконструированных генов".
|
|
|
|
Источник
|
