Wissenschaftler enthüllen eine neue Möglichkeit, wie unsere DNA neue Gene von Grund auf erzeugen kann: ScienceAlert

Wissenschaftler haben herausgefunden, wie unsere DNA mithilfe eines genetischen Schnellvorlaufknopfs neue Gene erzeugen kann, um sich schnell an unsere sich ständig verändernde Umwelt anzupassen.

Bei der Untersuchung von DNA-Replikationsfehlern stellten Forscher der Universität Helsinki in Finnland fest, dass einige einzelne Mutationen Palindrome erzeugen, die sich vorwärts und rückwärts lesen. Unter den richtigen Bedingungen können sich diese zu… entwickeln. MicroRNA Gene (miRNA).

Diese kleinen, einfachen Gene spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung anderer Gene. Viele miRNA-Gene gibt es schon seit langer Zeit in der Evolutionsgeschichte, aber Wissenschaftler haben herausgefunden, dass in einigen Tiergruppen, wie zum Beispiel Primaten, Plötzlich tauchen neue miRNA-Gene auf.

„Die Entstehung neuer Gene aus dem Nichts hat Forscher in Erstaunen versetzt.“ sagen Bioinformatikerin Helle Monteinen, Erstautorin der neuen Studie.

„Wir haben jetzt ein elegantes Modell für die Evolution von RNA-Genen.“

Die Fehler, die diese bemerkenswert effiziente Art der Gengenerierung ermöglichen, werden Template Switching Mutationen (TSMs) genannt. Der Prozess der Erstellung TSM-assoziierter miRNAs ist viel schneller als die Entwicklung neuer funktioneller Proteine.

„DNA wird eine Base nach der anderen kopiert, und Mutationen sind normalerweise einzelne falsche Basen, wie fehlerhafte Striche auf einer Laptop-Tastatur.“ sagen Projektleiter und Bioinformatik-Experte Ari Luitinoja.

„Wir haben einen Mechanismus untersucht, der größere Fehler verursacht, etwa das Kopieren und Einfügen von Text aus einem anderen Kontext. Wir waren besonders an Fällen interessiert, bei denen Text rückwärts kopiert wurde, sodass ein symmetrisches System entsteht.“

Alle RNA-Moleküle benötigen sich wiederholende Basensätze, die das Molekül in seiner Arbeitsform halten. Das Team konzentrierte sich auf microRNA-Gene, die sehr kurz sind und aus etwa 22 Genen bestehen Paarregel.

Aber selbst bei einfachen microRNA-Genen ist die Wahrscheinlichkeit, dass zufällige Basenmutationen langsam solche alternierenden Pfade bilden, sehr gering.

Wissenschaftler rätseln, woher diese abwechselnden Sequenzen kommen. Es stellt sich heraus, dass TSMs schnell vollständige DNA-Homologe produzieren können und so aus zuvor nicht-kodierenden DNA-Sequenzen neue microRNA-Gene erzeugen.

„Im RNA-Molekül können sich die Basen benachbarter Homologe paaren und haarnadelartige Strukturen bilden. Solche Strukturen sind für die Funktion der RNA-Moleküle essentiell.“ sagen Biotechnologe Mikko Freelander.

Für viele Primaten und Säugetiere wurden bereits vollständige Genome kartiert. Durch den Vergleich dieser Genome mithilfe eines benutzerdefinierten Computeralgorithmus konnten die Forscher herausfinden, welche Arten ein microRNA-Palindrom hatten.

„Durch eine detaillierte Modellierung der Geschichte können wir erkennen, dass durch einzelne Mutationsereignisse vollständige Homologe entstehen“, sagte Montinen. Er erklärt.

Das folgende Diagramm erklärt den Vorgang gut. Wenn die DNA-Replikation bei jedem Basenpaar auf ihrer Rezeptliste beginnt, stoppt sie, wenn sie auf eine Mutation oder ein defektes Basenpaar trifft.

Die Replikation bewegt sich dann zum benachbarten Chip und beginnt mit der Wiederholung dieser Anweisungen, jedoch rückwärts.

Wenn der Replikator zur ursprünglichen Vorlage zurückkehrt, erzeugt er ein sehr kleines Homolog, das sich in einer Haarnadelstruktur mit sich selbst paaren kann.

Durch den Vorlagenwechsel während der DNA-Replikation kann durch ein einziges Mutationsereignis die perfekte Struktur in der DNA für ein neues miRNA-Gen geschaffen werden. Dies ist viel effizienter als die langsamen und allmählichen Veränderungen, die damit einhergehen können Einzelne Bausteine.

Im Stammbaum der Primaten wurden mehr als 6.000 solcher Strukturen gefunden, die beim Menschen zur Entstehung von mindestens 18 neuen miRNA-Genen führen könnten. Dies entspricht 26 % aller miRNAs, von denen angenommen wird, dass sie seit dem ersten Erscheinen von Primaten entstanden sind.

Solche Erkenntnisse, die sich über Evolutionslinien erstrecken, deuten auf einen universellen Mechanismus für die Entstehung von miRNA-Genen hin, und das Team glaubt, dass die Erkenntnisse auch auf andere Gene und RNA-Moleküle übertragen werden könnten.

Es scheint relativ einfach zu sein, dass neue microRNA-Gene entstehen, die Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben könnten. Einige TSM-assoziierte miRNAs haben bereits funktionelle Bedeutung gezeigt, z HSA-MER-576 Was die antivirale Reaktion bei Primaten beeinflusst.

„Viele TSM-Varianten können zu miRNA-Genen werden, die sich zwischen menschlichen Populationen ausbreiten“, schreiben die Autoren schreiben„Das deutet darauf hin, dass der TSM-Prozess gerade aktiv ist und unsere Genome formt.“

Die Studie wurde veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.