Разгадка тайны: Новые гены появляются из глубин ДНК

Ученые из Университета Хельсинки разгадали загадку, связанную с происхождением небольших регуляторных генов. Эти гены, известные как гены микроРНК, играют важнейшую роль в координации действий классических генов в живых организмах. Исследователи описали механизм, создающий палиндромы ДНК, которые при благоприятных обстоятельствах превращаются в гены микроРНК.

Геном человека состоит примерно из 20 000 генов, отвечающих за создание белков. Среди них огромное количество регуляторных генов, включая самые маленькие молекулы микроРНК длиной всего 22 пары оснований, которые оркеструют сложный танец экспрессии генов.

Хотя количество генов остается относительно постоянным, в процессе эволюции время от времени появляются новые гены, что приводит в недоумение ученых, давно увлеченных генезисом этих генетических чудес.

Все молекулы РНК нуждаются в палиндромных рядах оснований, которые фиксируют молекулу в ее функциональной конформации. Однако вероятность того, что случайные мутации оснований постепенно сформируют эти палиндромные ряды, крайне мала даже для простейших генов микроРНК, что заставляет исследователей ломать голову над их происхождением.

В дело вступили специалисты из Института биотехнологии Хельсинкского университета (Финляндия). В рамках проекта, финансируемого Финской академией, они отправились в путешествие, чтобы раскрыть секреты, скрытые в ошибках репликации ДНК.

Ведущий исследователь Ари Лёйтыноя сравнил репликацию ДНК с набором текста: «ДНК копируется по одному основанию за раз, и обычно мутации — это ошибочные единичные основания, как неправильные удары по клавиатуре ноутбука. Мы же изучали механизм, создающий более крупные ошибки, например, копирование текста из другого контекста. Особенно нас интересовали случаи, когда текст копировался задом наперед, так что получался палиндром».

Исследование, недавно опубликованное в журнале PNAS, показало, что ошибки репликации ДНК иногда могут быть полезными. Исследователи заметили связь со структурой молекул РНК, в частности, со шпильками, образующимися при спаривании соседних палиндромов, Система реабилитации.

Гены микроРНК, обладающие простой структурой и требующие для правильного функционирования складывания шпильки, стали центральным объектом исследования. Чтобы получить дополнительные сведения, исследователи разработали специальный компьютерный алгоритм для моделирования истории генов.

Постдокторант Хели Менттинен объясняет: «Известен весь геном десятков приматов и млекопитающих. Сравнение их геномов показывает, у каких видов есть палиндромная пара микроРНК, а у каких она отсутствует. С помощью детального моделирования истории мы смогли увидеть, что целые палиндромы создаются в результате единичных мутаций».

На примере человека и других приматов исследователи продемонстрировали, что этот недавно открытый механизм объясняет по меньшей мере 25% новых генов микроРНК. Обнадеживает то, что подобные случаи были обнаружены и в других эволюционных линиях, что позволяет предположить, что этот механизм происхождения универсален.

Последствия этого исследования выходят далеко за рамки генетики. Легкость, с которой гены микроРНК могут возникать из, казалось бы, «ничего», способна повлиять на здоровье человека и углубить наше понимание фундаментальных принципов биологической жизни.

Хели Менттинен подчеркивает значимость работы: «Появление новых генов из ничего завораживает исследователей. Теперь у нас есть элегантная модель эволюции РНК-генов».

Хотя исследование было посвящено малым регуляторным генам, ученые считают, что полученные результаты могут быть экстраполированы на другие гены и молекулы РНК. Новый механизм в сочетании с естественным отбором может проложить путь к созданию более сложных структур и функций РНК.