Het verborgen mechanisme van gencreatie

Een nieuwe studie onthult een mechanisme voor het genereren van DNA-homologen die aanleiding kunnen geven tot nieuwe microRNA-genen, wat licht werpt op de oorsprong van genen en mogelijk van invloed is op ons begrip van RNA-structuren.

Onderzoekers van de Universiteit van Helsinki hebben een mechanisme ontdekt dat een onmiddellijke geboorte genereert DNA homologen, wat kan leiden tot de creatie van nieuwe microRNA-genen uit niet-coderende DNA-sequenties. Deze ontdekking werd gedaan tijdens het bestuderen van DNA-replicatiefouten en hun effect daarop RNA Moleculaire structuren bieden nieuwe inzichten in de oorsprong van genen.

De complexiteit van levende organismen is gecodeerd in hun genen, maar waar komen deze genen vandaan? Onderzoekers van de Universiteit van Helsinki hebben openstaande vragen over de oorsprong van kleine regulerende genen opgelost en het mechanisme beschreven dat hun DNA-homologie creëert. Onder de juiste omstandigheden ontwikkelen deze homologen zich tot microRNA-genen.

Genen en eiwitten: de bouwstenen van het leven

Het menselijk genoom bevat ca. Er worden 20.000 genen gebruikt om eiwitten te bouwen. De werking van deze klassieke genen wordt gecoördineerd door duizenden regulerende genen, waarvan de kleinste coderen voor microRNA-moleculen met een lengte van 22 basenparen. Hoewel het aantal genen relatief constant blijft, verschijnen er tijdens de evolutie soms nieuwe genen. Net als de oorsprong van biologisch leven blijft de oorsprong van nieuwe genen wetenschappers fascineren.

Los de afwisselende puzzel op

Alle RNA-moleculen hebben afwisselende sets basen nodig die het molecuul in zijn functionele vorm vergrendelen. Belangrijk is dat de kans dat willekeurige basismutaties zulke progressief wisselende routes vormen zeer klein is, zelfs voor eenvoudige microRNA-genen. Daarom heeft de oorsprong van deze afwisselende sequenties onderzoekers in verwarring gebracht. Deskundigen van het Instituut voor Biotechnologie van de Universiteit van Helsinki in Finland hebben deze puzzel opgelost door een mechanisme te beschrijven dat onmiddellijk volledige DNA-homologen kan genereren, waardoor nieuwe microRNA-genen worden gecreëerd uit voorheen niet-coderende DNA-sequenties.

Inzichten in DNA-replicatie

In een project gefinancierd door de Academie van Finland bestudeerden onderzoekers fouten in DNA-replicatie. Ari Luitinoja, de projectleider, vergelijkt DNA-replicatie met het afdrukken van tekst.

“DNA wordt base voor base gekopieerd, en de mutaties zijn meestal enkele verkeerde basen, zoals foutieve slagen op het toetsenbord van een laptop. We hebben een mechanisme bestudeerd dat tot grotere fouten leidt, zoals het kopiëren en plakken van tekst uit een andere context. We waren vooral geïnteresseerd wanneer u de tekst achterstevoren hebt gekopieerd, zodat er symmetrische tekst ontstaat.

Onderzoekers bestudeerden het foutmechanisme bij DNA-replicatie en merkten op dat sommige fouten homologen creëren die kunnen transformeren in haarspeldstructuren. Krediet: Ari Löytynoja

RNA-structuren en DNA-fouten.

Onderzoekers hebben zich gerealiseerd dat DNA-replicatiefouten soms nuttig kunnen zijn. Ze beschreven deze bevindingen aan Mikko Freelander, een expert in RNA-biologie. Hij zag meteen het verband met de structuur van RNA-moleculen.

“In het RNA-molecuul kunnen de basen van aangrenzende homologen paren en haarspeldachtige structuren vormen. Dergelijke structuren zijn essentieel voor de functie van RNA-moleculen”, legt hij uit.

De onderzoekers besloten zich te concentreren op microRNA-genen vanwege hun eenvoudige structuur: de genen zijn erg kort – slechts enkele tientallen basen – en ze moeten zich in een haarspeldstructuur vouwen om goed te kunnen functioneren.

Het centrale idee was om de gengeschiedenis te modelleren met behulp van een aangepast computeralgoritme. Volgens postdoctoraal onderzoeker Helle Monteinen maakt dit het meest diepgaande onderzoek naar de oorsprong van genen tot nu toe mogelijk.

“De volledige genomen van tientallen primaten en zoogdieren zijn bekend. Een vergelijking van hun genomen is onthullend Classificeren Ze bezitten een palindroompaar microRNA, dat ze niet hebben. “Door gedetailleerde modellering van de geschiedenis kunnen we zien dat complete homologen ontstaan ​​door afzonderlijke mutatiegebeurtenissen”, zegt Montinen.

Het basisidee was om de gengeschiedenis te modelleren met behulp van informatie van verwante soorten. Modellering heeft aangetoond dat homologen van microRNA-genen worden gegenereerd door enkele mutatiegebeurtenissen. Krediet: Ari Löytynoja

Archeologie en kosmopolitisme

Door zich te concentreren op mensen en andere primaten hebben de onderzoekers in Helsinki aangetoond dat het nieuw ontdekte mechanisme minstens een kwart van de nieuwe microRNA-genen kan verklaren. Omdat vergelijkbare gevallen zijn gevonden in andere evolutionaire lijnen, lijkt het oorsprongsmechanisme universeel.

In principe is de opkomst van microRNA-genen zo eenvoudig dat nieuwe genen de menselijke gezondheid kunnen beïnvloeden. Helle Montinen ziet het belang van werken op grotere schaal, bijvoorbeeld bij het begrijpen van de basisprincipes van biologisch leven.

“De opkomst van nieuwe genen uit het niets heeft onderzoekers verbijsterd. We hebben nu een elegant model voor de evolutie van RNA-genen.”

Hoewel de bevindingen gebaseerd zijn op kleine regulerende genen, denken de onderzoekers dat de bevindingen kunnen worden gegeneraliseerd naar andere genen en RNA-moleculen. Door gebruik te maken van de grondstoffen die door het nieuw ontdekte mechanisme worden gegenereerd, kan natuurlijke selectie bijvoorbeeld complexere RNA-structuren en -functies creëren.

Het onderzoek is gepubliceerd in Met mensen.

Referentie: “De novo generatie van miRNA’s door sjabloonwisseling tijdens DNA-replicatie” door Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander en Ari Löytynoja, 29 november 2023, Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.
doi: 10.1073/pnas.2310752120