Обнаружены новые гены, которые могут возникнуть «из ничего»

Сложность живых организмов закодирована в их генах, но откуда берутся эти гены? Исследователи из Хельсинкского университета решили нерешенные вопросы происхождения малых регуляторных генов и описали механизм создания палиндромов их ДНК. При подходящих обстоятельствах эти палиндромы превращаются в гены микроРНК. Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Геном человека содержит около 20 000 генов, которые используются для построения белков. Действия этих классических генов координируются тысячами регуляторных генов, самые маленькие из которых кодируют молекулы микроРНК длиной 22 пары оснований. Хотя число генов остается относительно постоянным, иногда в ходе эволюции появляются новые гены. Подобно зарождению биологической жизни, происхождение новых генов продолжает интересовать ученых.

Всем молекулам РНК требуются палиндромные последовательности оснований, которые фиксируют молекулу в ее функциональной конформации. Важно отметить, что вероятность того, что случайные базовые мутации постепенно образуют такие палиндромные серии, чрезвычайно мала даже для простых генов микроРНК.

Следовательно, происхождение этих палиндромных последовательностей озадачило исследователей. Эксперты из Института биотехнологии Хельсинкского университета (Финляндия) разгадали эту загадку, описав механизм, который может мгновенно генерировать полные палиндромы ДНК и, таким образом, создавать новые гены микроРНК из ранее некодирующих последовательностей ДНК.

В своем проекте исследователи изучали ошибки репликации ДНК. Ари Лойтыноя, руководитель проекта, сравнивает репликацию ДНК с набором текста.

«ДНК копируется по одному основанию за раз, и обычно мутации представляют собой ошибочные отдельные основания, такие как неправильные удары по клавиатуре ноутбука. Мы изучали механизм, создающий более крупные ошибки, например, копирование текста из другого контекста. Нас особенно интересовали случаи который скопировал текст назад, так что получился палиндром», - объясняют ученые.

Исследователи признали, что ошибки репликации ДНК иногда могут быть полезны. Они рассказали об этих результатах Микко Фриландеру, эксперту в области биологии РНК. Он сразу увидел связь со строением молекул РНК.

«В молекуле РНК основания соседних палиндромов могут спариваться и образовывать структуры, напоминающие шпильку. Такие структуры имеют решающее значение для функционирования молекул РНК», — объясняет он.

Исследователи решили сосредоточиться на генах микроРНК из-за их простой структуры: гены очень короткие — всего несколько десятков оснований — и для правильного функционирования им приходится сворачиваться в шпильку.

Центральным открытием было моделирование истории генов с использованием специального компьютерного алгоритма. По словам постдокторанта Хели Монттинена, на данный момент это позволяет наиболее тщательно изучить происхождение генов.

«Известен весь геном десятков приматов и млекопитающих. Сравнение их геномов показывает, у каких видов есть пара палиндромов микроРНК, а у каких ее нет. При детальном моделировании истории мы смогли увидеть, что целые палиндромы создаются в результате одиночной мутации. событий», — говорит Монттинен.

Сосредоточив внимание на людях и других приматах, исследователи из Хельсинки продемонстрировали, что недавно обнаруженный механизм может объяснить как минимум четверть новых генов микроРНК. Поскольку подобные случаи были обнаружены и в других эволюционных линиях, механизм происхождения кажется универсальным.

В принципе, появление генов микроРНК настолько легко, что новые гены могут повлиять на здоровье человека. Хели Монттинен видит значение работы более широко, например, в понимании основных принципов биологической жизни.

«Появление новых генов из ничего очаровало исследователей. Теперь у нас есть элегантная модель эволюции генов РНК», — подчеркивает она.

Хотя результаты основаны на небольших регуляторных генах, исследователи полагают, что полученные результаты можно распространить на другие гены и молекулы РНК. Например, используя сырье, полученное с помощью недавно открытого механизма, естественный отбор может создать гораздо более сложные структуры и функции РНК.