ДНК, имеющая структуру двойной спирали, может иметь множество генетических мутаций и вариаций. Кредит: NIH
С тех пор, как генетический код был впервые расшифрован в 1960-х годах, наши гены казались открытой книгой. Читая и расшифровывая наши хромосомы как линейные строки букв, как предложения в романе, мы можем идентифицировать гены в нашем геноме и узнать, почему изменения в коде гена влияют на здоровье.
Считалось, что это линейное правило жизни управляет всеми формами жизни, от людей до бактерий.
Но новое исследование ученых из Колумбийского университета показывает, что бактерии нарушают это правило и могут создавать свободно плавающие и недолговечные гены, повышая вероятность того, что похожие гены существуют за пределами нашего собственного генома.
«Это открытие переворачивает представление о том, что хромосома содержит полный набор инструкций, которые клетки используют для производства белков», — говорит Сэмюэл Стернберг, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии в Колледже врачей и хирургов Вагелоса, который руководил исследованием совместно со Стивеном Тангом, студентом-докторантом медицинской школы.
«Теперь мы знаем, что, по крайней мере, у бактерий могут быть другие инструкции, не сохраненные в геноме, которые, тем не менее, необходимы для выживания клеток».
Работа опубликована в журнале Science.
«Удивительно» и «инопланетная биология»
Научная реакция уже попала в новости несколько месяцев назад, когда статья впервые появилась в качестве препринта. В новостной статье Nature ученые назвали открытие «инопланетной биологией», «удивительным» и «шокирующим».
«Оно неоднократно оставляло нас в недоумении», — говорит Тан, — «и мы перешли от сомнений к изумлению, поскольку механизм постепенно стал виден».
Бактерии и их вирусы были заперты в битве на протяжении веков, поскольку вирусы пытаются внедрить свою ДНК в бактериальный геном, а бактерии изобретают хитрые методы (например, CRISPR), чтобы защитить себя. Многие механизмы защиты бактерий остаются неизученными, но могут привести к появлению новых инструментов редактирования генома.
Бактериальная система защиты, которую Штернберг и Танг выбрали для исследования, необычна: система включает в себя фрагмент РНК с неизвестной функцией и обратную транскриптазу, фермент, который синтезирует ДНК из шаблона РНК. Наиболее распространенные системы защиты бактерий разрезают или разрушают входящую вирусную ДНК, «поэтому мы были озадачены идеей защиты генома посредством синтеза ДНК», — говорит Танг.
Свободно плавающие гены
Чтобы узнать, как работает эта странная защита, Танг сначала создал новую технику для идентификации ДНК, произведенной обратной транскриптазой. ДНК, которую он обнаружил, была длинной, но повторяющейся, содержащей несколько копий короткой последовательности в молекуле РНК защитной системы.
Затем он понял, что эта часть молекулы РНК сворачивается в петлю, а обратная транскриптаза проходит множество раз по петле, создавая повторяющуюся ДНК.
«Это как если бы вы собирались сделать фотокопию книги, но копировальный аппарат просто начал штамповать одну и ту же страницу снова и снова», — говорит Стернберг.
Изначально исследователи думали, что в их экспериментах что-то не так или что фермент совершает ошибку и созданная им ДНК бессмысленна.
«Вот тогда Стивен провел гениальное исследование и обнаружил, что молекула ДНК — это полностью функционирующий, свободно плавающий, транзитный ген», — говорит Стернберг.
Исследователи обнаружили, что белок, кодируемый этим геном, является важнейшей частью системы противовирусной защиты бактерий. Вирусная инфекция запускает выработку белка (названного исследователями Neo), который не дает вирусу размножаться и заражать соседние клетки.
Внехромосомные гены у людей?
Если подобные гены будут найдены свободно плавающими в клетках высших организмов, «это действительно будет открытием, которое изменит правила игры», — говорит Стернберг. «Могут быть гены или последовательности ДНК, которые не находятся ни в одной из 23 человеческих хромосом. Возможно, они создаются только в определенных условиях, в определенных контекстах развития или генетического контекста, и все же предоставляют важную информацию о кодировании, на которую мы полагаемся для нашей нормальной физиологии».
Теперь лаборатория использует методы Танга для поиска человеческих внехромосомных генов, производимых обратными транскриптазами.
В геноме человека существуют тысячи генов обратной транскриптазы, и многие из них до сих пор не обнаружены. «Существует значительный пробел, который необходимо заполнить, чтобы открыть более интересную биологию», — говорит Стернберг.
Источник редактирования генов
Хотя генная терапия, использующая редактирование CRISPR, находится на стадии клинических испытаний (и одна из них была одобрена в прошлом году для лечения серповидноклеточной анемии), CRISPR — не идеальная технология.
Новые методы, объединяющие CRISPR с обратной транскриптазой, дают генным инженерам больше возможностей. «Обратная транскриптаза дает вам возможность записывать новую информацию в сайты, которые разрезает CRISPR, чего CRISPR сам по себе сделать не может», — говорит Тан, — «но все используют одну и ту же обратную транскриптазу, которая была открыта десятилетия назад».
Обратная транскриптаза, создающая Neo, обладает определенными свойствами, которые могут сделать ее лучшим вариантом для редактирования генома в лаборатории и для создания новых генных терапий. И еще более загадочные обратные транскриптазы существуют в бактериях, которые ждут своего исследования.
«Мы думаем, что бактерии могут иметь сокровищницу обратных транскриптаз, которые могли бы стать подходящей отправной точкой для новых технологий, как только мы поймем, как они работают», — говорит Стернберг.
Дополнительная информация: Стивен Тан и др., Синтез генов de novo с помощью противовирусной обратной транскриптазы, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adq0876
Информация о журнале: Наука, Природа
Предоставлено Медицинским центром Колумбийского университета имени Ирвинга
