Der verborgene Mechanismus der Generstellung

Eine neue Studie enthüllt einen Mechanismus zur Erzeugung von DNA-Homologen, der zur Entstehung neuer microRNA-Gene führen könnte, was Licht auf die Ursprünge von Genen wirft und möglicherweise unser Verständnis von RNA-Strukturen beeinflusst.

Forscher der Universität Helsinki haben einen Mechanismus entdeckt, der eine sofortige Geburt bewirkt DNA Homologe, die zur Entstehung neuer microRNA-Gene aus nichtkodierenden DNA-Sequenzen führen können. Diese Entdeckung wurde bei der Untersuchung von DNA-Replikationsfehlern und deren Auswirkungen darauf gemacht RNA Molekulare Strukturen liefern neue Einblicke in die Entstehung von Genen.

Die Komplexität lebender Organismen ist in ihren Genen verankert, aber woher kommen diese Gene? Forscher der Universität Helsinki haben offene Fragen zum Ursprung kleiner regulatorischer Gene geklärt und den Mechanismus beschrieben, der ihre DNA-Homologie erzeugt. Unter den richtigen Bedingungen entwickeln sich diese Homologen zu microRNA-Genen.

Gene und Proteine: die Bausteine ​​des Lebens

Das menschliche Genom enthält ca. 20.000 Gene werden zum Aufbau von Proteinen verwendet. Die Aktionen dieser klassischen Gene werden von Tausenden regulatorischen Genen koordiniert, von denen die kleinsten microRNA-Moleküle mit einer Länge von 22 Basenpaaren kodieren. Während die Anzahl der Gene relativ konstant bleibt, entstehen im Laufe der Evolution manchmal neue Gene. Wie der Ursprung des biologischen Lebens fasziniert auch der Ursprung neuer Gene Wissenschaftler nach wie vor.

Lösen Sie das Wechselrätsel

Alle RNA-Moleküle benötigen abwechselnde Basensätze, die das Molekül in seiner funktionellen Form fixieren. Wichtig ist, dass die Wahrscheinlichkeit, dass zufällige Basenmutationen solche fortschreitend alternierenden Signalwege bilden, selbst bei einfachen microRNA-Genen sehr gering ist. Daher gibt der Ursprung dieser alternierenden Sequenzen den Forschern Rätsel auf. Experten am Institut für Biotechnologie der Universität Helsinki in Finnland haben dieses Rätsel gelöst und einen Mechanismus beschrieben, der sofort vollständige DNA-Homologe erzeugen und so neue microRNA-Gene aus zuvor nicht kodierenden DNA-Sequenzen erzeugen kann.

Einblicke in die DNA-Replikation

In einem von der Akademie von Finnland finanzierten Projekt untersuchten Forscher Fehler bei der DNA-Replikation. Ari Luitinoja, der Projektleiter, vergleicht die DNA-Replikation mit dem Drucken von Text.

„DNA wird eine Base nach der anderen kopiert, und die Mutationen sind normalerweise einzelne falsche Basen, wie fehlerhafte Striche auf einer Laptop-Tastatur. Wir haben einen Mechanismus untersucht, der zu größeren Fehlern führt, wie dem Kopieren und Einfügen von Text aus einem anderen Kontext. Das hat uns besonders interessiert.“ wenn Sie den Text rückwärts kopiert haben, sodass ein symmetrischer Text entsteht.

Forscher untersuchten den Fehlermechanismus bei der DNA-Replikation und beobachteten, dass einige Fehler Homologe erzeugen, die sich in Haarnadelstrukturen umwandeln können. Bildnachweis: Ari Löytynoja

RNA-Strukturen und DNA-Fehler.

Forscher haben erkannt, dass DNA-Replikationsfehler manchmal von Vorteil sein können. Sie berichteten Mikko Freelander, einem Experten für RNA-Biologie, über diese Ergebnisse. Er erkannte sofort den Zusammenhang mit der Struktur von RNA-Molekülen.

„Im RNA-Molekül können sich die Basen benachbarter Homologer paaren und haarnadelartige Strukturen bilden. Solche Strukturen sind für die Funktion von RNA-Molekülen essentiell“, erklärt er.

Die Forscher entschieden sich aufgrund ihrer einfachen Struktur für den Fokus auf microRNA-Gene: Die Gene sind sehr kurz – nur ein paar Dutzend Basen – und sie müssen sich zu einer Haarnadelstruktur falten, um richtig zu funktionieren.

Die zentrale Idee bestand darin, die Gengeschichte mithilfe eines benutzerdefinierten Computeralgorithmus zu modellieren. Laut Postdoktorandin Helle Monteinen ermöglicht dies die bislang genaueste Untersuchung der Herkunft von Genen.

„Die vollständigen Genome von Dutzenden von Primaten und Säugetieren sind bekannt. Ein Vergleich ihrer Genome ist aufschlussreich.“ Klassifizieren Sie besitzen ein palindromes Paar microRNA, das ihnen fehlt. „Durch detaillierte Modellierung der Geschichte können wir erkennen, dass durch einzelne Mutationsereignisse vollständige Homologe entstehen“, sagt Montinen.

Die Grundidee bestand darin, die Gengeschichte anhand von Informationen verwandter Arten zu modellieren. Modellierungen haben gezeigt, dass Homologe von microRNA-Genen durch einzelne Mutationsereignisse erzeugt werden. Bildnachweis: Ari Löytynoja

Archäologie und Kosmopolitismus

Indem sie sich auf Menschen und andere Primaten konzentrierten, zeigten die Forscher in Helsinki, dass der neu entdeckte Mechanismus mindestens ein Viertel der neuen microRNA-Gene erklären könnte. Da ähnliche Fälle in anderen Evolutionslinien gefunden wurden, scheint der Ursprungsmechanismus universell zu sein.

Im Prinzip ist die Entstehung von microRNA-Genen so einfach, dass neue Gene Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben können. Helle Montinen sieht die Bedeutung der Arbeit in einem größeren Maßstab, beispielsweise beim Verständnis der Grundprinzipien des biologischen Lebens.

„Die Entstehung neuer Gene aus dem Nichts hat Forscher in Erstaunen versetzt. Wir haben jetzt ein elegantes Modell für die Evolution von RNA-Genen.“

Obwohl die Ergebnisse auf kleinen regulatorischen Genen basieren, glauben die Forscher, dass die Ergebnisse auf andere Gene und RNA-Moleküle übertragen werden können. Beispielsweise kann die natürliche Selektion mithilfe der durch den neu entdeckten Mechanismus erzeugten Rohstoffe komplexere RNA-Strukturen und -Funktionen erzeugen.

Die Studie wurde veröffentlicht in Mit Leuten.

Referenz: „De-novo-Generierung von miRNAs durch Template-Wechsel während der DNA-Replikation“ von Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander und Ari Löytynoja, 29. November 2023, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
doi: 10.1073/pnas.2310752120