Wetenschappers ontcijferen de mysterieuze DNA-regels die verborgen zijn voor soorten

Uit nieuw onderzoek is gebleken dat “willekeurig DNA” actief wordt getranscribeerd in gist, maar grotendeels inactief blijft in zoogdiercellen, ook al delen beide organismen een gemeenschappelijke voorouder en moleculaire machinerie. Deze studie omvatte de introductie van een synthetisch gen in omgekeerde volgorde in stamcellen van gist en muizen, waardoor significante verschillen in transcriptionele activiteit aan het licht kwamen. De resultaten geven aan dat terwijl gistcellen bijna alle genen transcriberen, zoogdiercellen de transcriptie op natuurlijke wijze onderdrukken. Dit onderzoek daagt niet alleen ons begrip van gentranscriptie tussen soorten uit, maar heeft ook implicaties voor de toekomst van genetische manipulatie en de ontdekking van nieuwe genen.

Uit een nieuwe studie blijkt dat gist bij eencellige schimmels ‘willekeurig’ is. DNA“Van nature actief, terwijl dit DNA in zoogdiercellen in zijn natuurlijke staat is uitgeschakeld, ondanks dat het een miljard jaar geleden een gemeenschappelijke voorouder had en dezelfde fundamentele moleculaire machinerie.

De nieuwe ontdekking draait om het proces waarbij de genetische instructies van DNA eerst worden omgezet in een verwante substantie genaamd… RNA En dan naar de eiwitten waaruit de structuren en signalen van het lichaam bestaan. Bij gist, muizen en mensen vindt de eerste stap in genexpressie, transcriptie, plaats waarbij de moleculaire ‘letters’ van DNA (nucleobasen) in één richting worden gelezen. Terwijl 80% van het menselijk genoom – de gehele verzameling DNA in onze cellen – actief wordt gedecodeerd tot RNA, codeert minder dan 2% ervan daadwerkelijk voor de genen die de constructie van eiwitten aansturen.

Een al lang bestaand mysterie in de genomica is wat al deze niet-gengerelateerde transcriptie teweegbrengt. Is het alleen maar lawaai, een bijeffect van de evolutie, of heeft het ook functies?

Een onderzoeksteam van NYU Langone Health probeerde deze vraag te beantwoorden door een groot synthetisch gen te creëren, waarvan de DNA-code in omgekeerde volgorde staat van die van de natuurlijke ouder. Vervolgens plaatsten ze synthetische genen in stamcellen van gist en muizen, en controleerden ze de transcriptniveaus in elke stamcel. Gepubliceerd in het tijdschrift natuur, Uit de nieuwe studie blijkt dat bij gist het genetische systeem zo is afgesteld dat bijna alle genen continu worden getranscribeerd, terwijl bij zoogdiercellen dezelfde ‘standaardstatus’ bestaat uit het uitschakelen van de transcriptie.

Methodologie en resultaten

Interessant genoeg, zeggen de auteurs van het onderzoek, betekende de omgekeerde volgorde van de code dat alle mechanismen die zich in gist- en zoogdiercellen ontwikkelden om transcriptie aan of uit te zetten, afwezig waren, omdat de omgekeerde code onzin was. Maar net als een spiegelbeeld weerspiegelt de omgekeerde code enkele van de basispatronen die in de natuurlijke code voorkomen in termen van hoe vaak DNA-letters aanwezig zijn, waar ze dichtbij staan ​​en hoe vaak ze worden herhaald. Omdat de omgekeerde code 100.000 moleculaire letters lang is, ontdekte het team dat deze willekeurig veel kleine stukjes voorheen onbekende code bevatte die waarschijnlijk vaker de transcriptie in gist startten en deze in zoogdiercellen stopten.

“De verschillen tussen virtuele versies begrijpen Classificeren “Genetica zal ons helpen beter te begrijpen welke delen van de genetische code functies hebben, en wat evolutionaire ongelukken zijn”, zegt corresponderende auteur Jeff Buckey, Ph.D., directeur van het Genetics Institute van NYU Langone Health. “Dit belooft op zijn beurt de gist-engineering te begeleiden bij het maken van nieuwe medicijnen, het creëren van nieuwe gentherapieën, of zelfs om ons te helpen nieuwe genen te vinden die begraven liggen in de enorme code.”

Dit werk geeft gewicht aan de theorie dat de zeer actieve transcriptionele toestand van gist zo verfijnd is dat vreemd DNA zelden in gist wordt geïnjecteerd, bijvoorbeeld door virus Omdat het zichzelf kopieert, is de kans groter dat het in RNA wordt getranscribeerd. Als dit RNA een eiwit bouwt met een nuttige functie, zal de code door de evolutie behouden blijven als een nieuw gen. In tegenstelling tot het eencellige organisme in gist, dat risicovolle nieuwe genen kan opleveren die de evolutie sneller aansturen, zijn zoogdiercellen, als onderdeel van lichamen die miljoenen samenwerkende cellen bevatten, minder vrij om nieuw DNA op te nemen elke keer dat de cel een virus tegenkomt. Verschillende regelgevende mechanismen beschermen de zorgvuldig uitgebalanceerde code zoals die is.

Groot DNA

De nieuwe studie moest rekening houden met de grootte van de DNA-strengen, aangezien er 3 miljard ‘letters’ in het menselijk genoom zitten, en sommige genen 2 miljoen letters lang zijn. Terwijl populaire technieken het mogelijk maken om veranderingen letter voor letter aan te brengen, zijn sommige technische taken efficiënter als onderzoekers DNA helemaal opnieuw opbouwen, verreikende veranderingen aanbrengen in grote delen van vooraf gecompileerde code en deze in een cel vervangen in plaats van in de natuurlijke tegenhanger ervan. Omdat menselijke genen zo complex zijn, ontwikkelde Bucky's laboratorium eerst de 'genoomtypering'-benadering in gist, maar heeft deze onlangs aangepast zodat deze overeenkomt met de genetische code van zoogdieren. De auteurs van het onderzoek gebruiken gistcellen om in één stap lange DNA-sequenties samen te stellen en deze vervolgens af te leveren in embryonale stamcellen van muizen.

Voor de huidige studie heeft het onderzoeksteam de vraag beantwoord naar de omvang van de transcriptionele verspreiding over de evolutie door een synthetisch stuk van 101 kilobase van gemanipuleerd DNA te introduceren: het menselijke hypoxanthinefosforibosyltransferase 1 (HPRT1) gen in omgekeerde coderingsvolgorde. Ze observeerden een wijdverbreide activiteit van het gen in gist, ondanks het ontbreken van onzincode voor promoters, dit zijn stukjes DNA die zijn geëvolueerd om het begin van de transcriptie aan te geven.

Bovendien identificeerde het team kleine sequenties in de omgekeerde code, repetitieve stukken adenosine- en thymine-bouwstenen, waarvan bekend is dat ze worden herkend door transcriptiefactoren, dit zijn eiwitten die zich aan DNA binden om transcriptie te initiëren. Dergelijke reeksen, die slechts 5 tot 15 letters lang zijn, kunnen gemakkelijk willekeurig voorkomen en kunnen gedeeltelijk de zeer actieve standaardtoestand van gist verklaren, aldus de auteurs.

Integendeel, hetzelfde symbool is omgekeerd, ingebracht in het genoom van embryonale stamcellen van muizen, veroorzaakte het geen uitgebreide transcriptie. In dit scenario werd de transcriptie onderdrukt, ook al waren geavanceerde CpG-dinucleotiden, waarvan bekend is dat ze genen stoppen (stilleggen), niet effectief in de omgekeerde code. Het team is van mening dat andere essentiële elementen in het genoom van zoogdieren de transcriptie veel meer kunnen beperken dan in gist, misschien door rechtstreeks een eiwitcomplex (het multi-CD-complex) te rekruteren dat bekend staat om zijn genuitschakeling.

“Hoe dichter we bij het introduceren van de 'genoomwaarde' van onzin-DNA in levende cellen komen, hoe beter ze het kunnen vergelijken met het daadwerkelijke, evoluerende genoom”, zegt eerste auteur Brendan Camillato, een afgestudeerde student in Buckey's laboratorium. “Dit kan ons naar nieuwe grenzen van gemanipuleerde celtherapieën leiden, omdat het vermogen om steeds langer synthetisch DNA in te brengen een beter begrip mogelijk maakt van wat de ingevoegde genomen zullen tolereren, en mogelijk de opname van een of meer grotere, volledig gemanipuleerde genen. ”

Referentie: “Omgekeerde synthetische sequenties onthullen vermeende genomische toestanden” door Brendan R. Camelato, Ran Brosh en Hannah J. Ash en Matthew T. Morano en Jeff D. Bucky, 6 maart 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2