Neue Forschungsergebnisse haben ergeben, dass „zufällige DNA“ in Hefen aktiv transkribiert wird, in Säugetierzellen jedoch weitgehend inaktiv bleibt, obwohl beide Organismen einen gemeinsamen Vorfahren und molekulare Mechanismen haben. Bei dieser Studie wurde ein synthetisches Gen in umgekehrter Reihenfolge in Hefe- und Mausstammzellen eingefügt, wodurch signifikante Unterschiede in der Transkriptionsaktivität festgestellt wurden. Die Ergebnisse legen nahe, dass Hefezellen praktisch alle Gene aktiv transkribieren, Säugetierzellen jedoch die Transkription auf natürliche Weise unterdrücken. Diese Forschung stellt nicht nur unser Verständnis der genetischen Transkription zwischen verschiedenen Arten in Frage, sondern hat auch Auswirkungen auf die Zukunft der Gentechnik und die Entdeckung neuer Gene.
Eine neue Studie zeigt, dass bei einzelligen Pilzen Hefe „zufällig“ vorkommt DNA„ist natürlich aktiv, während in Säugetierzellen diese DNA in ihrem natürlichen Zustand ausgeschaltet ist, obwohl sie vor einer Milliarde Jahren einen gemeinsamen Vorfahren und die gleiche grundlegende molekulare Maschinerie hatten.
Bei den neuen Erkenntnissen geht es um den Prozess, bei dem genetische DNA-Anweisungen zunächst in ein entsprechendes Material namens umgewandelt werden RNA und dann in Proteine, die die Strukturen und Signale des Körpers bilden. Bei Hefen, Mäusen und Menschen erfolgt der erste Schritt in der Expression eines Gens, die Transkription, dadurch, dass molekulare „Buchstaben“ (Nukleobasen) der DNA in eine Richtung gelesen werden. Während 80 % des menschlichen Genoms – der gesamte DNA-Satz in unseren Zellen – aktiv in RNA entschlüsselt wird, kodieren weniger als 2 % tatsächlich für Gene, die den Aufbau von Proteinen steuern.
Ein seit langem bestehendes Rätsel in der Genomik ist daher, was diese nicht-genbezogene Transkription bewirkt. Ist es nur Lärm, ein Nebeneffekt der Evolution, oder hat es Funktionen?
Ein Forschungsteam an der NYU Langone Health versuchte, diese Frage zu beantworten, indem es ein großes, synthetisches Gen schuf, dessen DNA-Code in umgekehrter Reihenfolge zu seinem natürlichen Elternteil ist. Dann fügten sie synthetische Gene in Hefe- und Mausstammzellen ein und beobachteten jeweils die Transkriptionsniveaus. In der Zeitschrift veröffentlicht Natur, Die neue Studie zeigt, dass in Hefe das genetische System so eingestellt ist, dass fast alle Gene kontinuierlich transkribiert werden, während in den Säugetierzellen derselbe „Standardzustand“ darin besteht, dass die Transkription ausgeschaltet ist.
Methodik und Ergebnisse
Interessanterweise, sagen die Studienautoren, bedeutete die umgekehrte Reihenfolge des Codes, dass alle Mechanismen, die sich in Hefe- und Säugetierzellen entwickelten, um die Transkription ein- oder auszuschalten, fehlten, weil der umgekehrte Code Unsinn war. Wie ein Spiegelbild spiegelte der umgekehrte Code jedoch einige grundlegende Muster wider, die im natürlichen Code zu sehen waren, und zwar in Bezug darauf, wie oft DNA-Buchstaben vorhanden waren, in welcher Nähe sie sich befanden und wie oft sie wiederholt wurden. Da der umgekehrte Code 100.000 molekulare Buchstaben lang war, stellte das Team fest, dass er zufällig viele kleine Abschnitte eines bisher unbekannten Codes enthielt, der die Transkription wahrscheinlich viel häufiger in Hefen startete und sie in Säugetierzellen stoppte.
„Verstehen von Standardtranskriptionsunterschieden zwischen.“ Spezies wird uns helfen, besser zu verstehen, welche Teile des genetischen Codes Funktionen haben und welche Zufälle der Evolution sind“, sagte der korrespondierende Autor Jef Boeke, PhD, der Sol und Judith Bergstein Direktor des Instituts für Systemgenetik an der NYU Langone Health. „Dies wiederum verspricht, die Entwicklung von Hefe zur Herstellung neuer Medikamente oder neuer Gentherapien zu leiten oder uns sogar dabei zu helfen, neue Gene zu finden, die im riesigen Code verborgen sind.“
Die Arbeit verleiht der Theorie Gewicht, dass der sehr aktive Transkriptionszustand von Hefen so eingestellt ist, dass fremde DNA, die beispielsweise selten in Hefe injiziert wird, beispielsweise durch a Virus Während es sich selbst kopiert, wird es wahrscheinlich in RNA transkribiert. Wenn diese RNA ein Protein mit einer hilfreichen Funktion aufbaut, bleibt der Code durch die Evolution als neues Gen erhalten. Anders als ein einzelliger Organismus in Hefe, der sich riskante neue Gene leisten kann, die eine schnellere Evolution vorantreiben, haben Säugetierzellen als Teil eines Körpers mit Millionen kooperierender Zellen weniger Freiheit, jedes Mal neue DNA einzubauen, wenn eine Zelle auf ein Virus trifft. Viele Regulierungsmechanismen schützen den fein ausbalancierten Code in seiner jetzigen Form.
Große DNA
Die neue Studie musste die Größe der DNA-Ketten berücksichtigen, wobei das menschliche Genom 3 Milliarden „Buchstaben“ umfasst und einige Gene 2 Millionen Buchstaben lang sind. Während berühmte Techniken es ermöglichen, Änderungen Buchstabe für Buchstabe vorzunehmen, sind einige technische Aufgaben effizienter, wenn Forscher DNA von Grund auf aufbauen und weitreichende Änderungen in großen Mengen vorgefertigten Codes vornehmen, der anstelle seines natürlichen Gegenstücks in eine Zelle eingebaut wird. Da menschliche Gene so komplex sind, hat Boekes Labor seinen Ansatz des „Genomschreibens“ zunächst in Hefe entwickelt, ihn dann aber kürzlich an den genetischen Code von Säugetieren angepasst. Die Studienautoren verwenden Hefezellen, um in einem einzigen Schritt lange DNA-Sequenzen zusammenzusetzen und sie dann in embryonale Stammzellen von Mäusen einzuschleusen.
Für die aktuelle Studie ging das Forschungsteam der Frage nach, wie weit verbreitet die Transkription in der gesamten Evolution ist, indem es einen synthetischen 101-Kilobasen-Abschnitt manipulierter DNA – das menschliche Gen Hypoxanthin-Phosphoribosyltransferase 1 (HPRT1) – in umgekehrter Kodierungsreihenfolge einführte. Sie beobachteten eine weit verbreitete Aktivität des Gens in Hefe, obwohl der Nonsense-Code der Promotoren fehlte, DNA-Schnipsel, die sich als Signal für den Beginn der Transkription entwickelten.
Darüber hinaus identifizierte das Team kleine Sequenzen im umgekehrten Code, wiederholte Abschnitte von Adenosin- und Thymin-Bausteinen, von denen bekannt ist, dass sie von Transkriptionsfaktoren erkannt werden, also Proteinen, die an DNA binden, um die Transkription zu initiieren. Solche nur 5 bis 15 Buchstaben langen Sequenzen könnten leicht zufällig auftreten und könnten teilweise den sehr aktiven Hefe-Standardzustand erklären, sagten die Autoren.
Im Gegenteil, derselbe umgekehrte Code, In das Genom embryonaler Stammzellen einer Maus eingeführt, verursachte sie keine weit verbreitete Transkription. In diesem Szenario wurde die Transkription unterdrückt, obwohl entwickelte CpG-Dinukleotide, von denen bekannt ist, dass sie Gene aktiv abschalten (stilllegen), im umgekehrten Code nicht funktionsfähig waren. Das Team vermutet, dass andere Grundelemente im Säugetiergenom die Transkription möglicherweise viel stärker einschränken als in Hefe, und möglicherweise durch die direkte Rekrutierung einer Proteingruppe (des Polycomb-Komplexes), von der bekannt ist, dass sie Gene zum Schweigen bringt.
„Je näher wir der Einführung von Nonsens-DNA im Wert eines ‚Genoms‘ in lebende Zellen kommen, desto besser können sie diese mit dem tatsächlichen, entwickelten Genom vergleichen“, sagte Erstautor Brendan Camellato, ein Doktorand in Boekes Labor. „Dies könnte uns zu einer neuen Grenze der technisch veränderten Zelltherapien führen, da die Fähigkeit, immer längere synthetische DNAs einzubauen, ein besseres Verständnis darüber ermöglicht, welche Insertionen das Genom toleriert, und möglicherweise die Einbeziehung eines oder mehrerer größerer, vollständiger, manipulierter Gene.“ ”
Referenz: „Synthetische umgekehrte Sequenzen offenbaren standardmäßige genomische Zustände“ von Brendan R. Camellato, Ran Brosh, Hannah J. Ashe, Matthew T. Maurano und Jef D. Boeke, 6. März 2024, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-024-07128-2