Il meccanismo nascosto della creazione dei geni

I ricercatori dell'Università di Helsinki hanno scoperto un meccanismo che genera una nascita istantanea DNA omologhi, che possono portare alla creazione di nuovi geni microRNA da sequenze di DNA non codificanti. Questa scoperta è stata fatta studiando gli errori di replicazione del DNA e il loro effetto su di esso RNA Le strutture molecolari forniscono nuove informazioni sulle origini dei geni.

La complessità degli organismi viventi è codificata nei loro geni, ma da dove provengono questi geni? I ricercatori dell'Università di Helsinki hanno risolto questioni in sospeso sull'origine dei piccoli geni regolatori e hanno descritto il meccanismo che crea la loro omologia del DNA. Nelle giuste condizioni, questi omologhi si sviluppano in geni microRNA.

Geni e proteine: gli elementi costitutivi della vita

Il genoma umano contiene ca. Per costruire le proteine ​​vengono utilizzati 20.000 geni. Le azioni di questi geni classici sono coordinate da migliaia di geni regolatori, il più piccolo dei quali codifica per molecole di microRNA lunghe 22 paia di basi. Sebbene il numero di geni rimanga relativamente costante, a volte nel corso dell’evoluzione compaiono nuovi geni. Come l’origine della vita biologica, l’origine di nuovi geni continua ad affascinare gli scienziati.

Risolvi il puzzle alternato

Tutte le molecole di RNA richiedono serie alternate di basi che bloccano la molecola nella sua forma funzionale. È importante sottolineare che le probabilità che mutazioni casuali delle basi formino tali percorsi progressivamente alternati sono molto piccole, anche per semplici geni microRNA. Quindi, l’origine di queste sequenze alternate ha lasciato perplessi i ricercatori. Gli esperti dell'Istituto di biotecnologia dell'Università di Helsinki in Finlandia hanno risolto questo enigma, descrivendo un meccanismo in grado di generare istantaneamente omologhi completi di DNA, creando così nuovi geni microRNA da sequenze di DNA precedentemente non codificanti.

Approfondimenti sulla replicazione del DNA

In un progetto finanziato dall'Accademia finlandese, i ricercatori hanno studiato gli errori nella replicazione del DNA. Ari Luitinoja, il leader del progetto, paragona la replicazione del DNA alla stampa di un testo.

“Il DNA viene copiato una base alla volta e le mutazioni sono solitamente singole basi sbagliate, come colpi irregolari sulla tastiera di un laptop. Abbiamo studiato un meccanismo che porta a errori più grandi, come copiare e incollare testo da un altro contesto. Eravamo interessati soprattutto quando hai copiato il testo all'indietro in modo da creare un testo simmetrico.

I ricercatori hanno studiato il meccanismo degli errori nella replicazione del DNA e hanno osservato che alcuni errori creano omologhi che possono trasformarsi in strutture a forcina. Credito: Ari Löytynoja

Strutture dell'RNA ed errori del DNA.

I ricercatori si sono resi conto che gli errori di replicazione del DNA a volte possono essere utili. Hanno descritto questi risultati a Mikko Freelander, un esperto in biologia dell'RNA. Vide immediatamente la connessione con la struttura delle molecole di RNA.

“Nella molecola di RNA, le basi di omologhi adiacenti possono accoppiarsi e formare strutture a forma di forcina. Tali strutture sono essenziali per la funzione delle molecole di RNA”, spiega.

I ricercatori hanno deciso di concentrarsi sui geni dei microRNA a causa della loro struttura semplice: i geni sono molto corti – solo poche dozzine di basi – e devono ripiegarsi in una struttura a forcina per funzionare correttamente.

L'idea centrale era quella di modellare la storia genetica utilizzando un algoritmo informatico personalizzato. Secondo la ricercatrice post-dottorato Helle Monteinen, ciò consente l'esame più accurato fino ad oggi dell'origine dei geni.

“Si conoscono i genomi completi di dozzine di primati e mammiferi. Il confronto dei loro genomi rivela quali Classificare Possiede una coppia palindromo di microRNA, che gli manca. “Grazie alla modellizzazione dettagliata della storia, possiamo vedere che omologhi completi vengono creati da singoli eventi di mutazione”, afferma Montinen.

L'idea di base era modellare la storia dei geni utilizzando informazioni provenienti da specie correlate. La modellizzazione ha dimostrato che gli omologhi dei geni microRNA sono generati da singoli eventi di mutazione. Credito: Ari Löytynoja

Archeologia e cosmopolitismo

Concentrandosi sugli esseri umani e su altri primati, i ricercatori di Helsinki hanno dimostrato che il meccanismo appena scoperto potrebbe spiegare almeno un quarto dei nuovi geni microRNA. Poiché casi simili sono stati riscontrati in altri lignaggi evolutivi, il meccanismo di origine sembra universale.

In linea di principio, l’emergere di geni microRNA è così semplice che nuovi geni possono influenzare la salute umana. Helle Montinen vede l'importanza di lavorare su scala più ampia, ad esempio per comprendere i principi fondamentali della vita biologica.

“L'emergere di nuovi geni dal nulla ha sbalordito i ricercatori. Ora disponiamo di un modello elegante per l'evoluzione dei geni dell'RNA.”

Sebbene i risultati siano basati su piccoli geni regolatori, i ricercatori ritengono che i risultati possano essere generalizzati ad altri geni e molecole di RNA. Ad esempio, utilizzando le materie prime generate dal meccanismo appena scoperto, la selezione naturale può creare strutture e funzioni dell’RNA più complesse.

Lo studio è stato pubblicato in Con le persone.

Riferimento: “Generazione de novo di miRNA da template switching durante la replicazione del DNA” di Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander e Ari Löytynoja, 29 novembre 2023, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze.
doi: 10.1073/pnas.2310752120