Một nghiên cứu mới tiết lộ rằng ở nấm đơn bào, nấm men là “ngẫu nhiên”. ADN“Hoạt động tự nhiên, trong khi ở tế bào động vật có vú, DNA này bị tắt ở trạng thái tự nhiên trong tế bào động vật có vú, mặc dù có tổ tiên chung cách đây một tỷ năm và cùng bộ máy phân tử cơ bản.

Khám phá mới xoay quanh quá trình mà các hướng dẫn di truyền của DNA lần đầu tiên được chuyển đổi thành một chất có liên quan gọi là… ARN Và sau đó là các protein tạo nên cấu trúc và tín hiệu của cơ thể. Ở nấm men, chuột và người, bước đầu tiên trong quá trình biểu hiện gen, phiên mã, diễn ra trong đó các “chữ cái” phân tử của DNA (nucleobase) được đọc theo một hướng. Trong khi 80% bộ gen của con người—toàn bộ bộ sưu tập DNA trong tế bào của chúng ta—được giải mã tích cực thành RNA, thì chưa đến 2% trong số đó thực sự mã hóa cho các gen chỉ đạo việc xây dựng protein.

Một bí ẩn lâu đời trong lĩnh vực gen là tất cả những gì mà quá trình phiên mã không liên quan đến gen này thực hiện được. Đó chỉ là tiếng ồn, một tác dụng phụ của quá trình tiến hóa hay nó có chức năng gì?

Một nhóm nghiên cứu tại NYU Langone Health đã tìm cách trả lời câu hỏi này bằng cách tạo ra một gen tổng hợp lớn, với mã DNA theo thứ tự ngược lại với gen bố mẹ tự nhiên của nó. Sau đó, họ chèn các gen tổng hợp vào tế bào gốc nấm men và chuột, đồng thời theo dõi mức độ phiên mã trong mỗi tế bào. Được đăng trên tạp chí thiên nhiên, Nghiên cứu mới tiết lộ rằng ở nấm men, hệ thống di truyền được điều chỉnh để hầu hết tất cả các gen được phiên mã liên tục, trong khi ở tế bào động vật có vú, “trạng thái mặc định” tương tự là tắt phiên mã.

Phương pháp và kết quả

Điều thú vị là, các tác giả nghiên cứu cho biết, thứ tự đảo ngược của mã có nghĩa là tất cả các cơ chế tiến hóa trong tế bào nấm men và động vật có vú để bật hoặc tắt phiên mã đều không có vì mã đảo ngược là vô nghĩa. Tuy nhiên, giống như một hình ảnh phản chiếu, mã đảo ngược phản ánh một số mẫu cơ bản xuất hiện trong mã tự nhiên về tần suất xuất hiện các chữ cái DNA, chúng gần với cái gì và tần suất chúng được lặp lại. Bởi vì mã ngược dài 100.000 chữ cái phân tử nên nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nó bao gồm ngẫu nhiên nhiều đoạn mã nhỏ chưa được biết đến trước đây có khả năng bắt đầu phiên mã thường xuyên hơn ở nấm men và dừng quá trình này ở tế bào động vật có vú.

“Hiểu được sự khác biệt của các phiên bản ảo trên Phân loại Tác giả tương ứng Jeff Buckey, Tiến sĩ, giám đốc Viện Di truyền tại NYU Langone Health cho biết: “Di truyền học sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn phần nào của mã di truyền có chức năng và những biến cố tiến hóa là gì”. “Điều này hứa hẹn sẽ hướng dẫn kỹ thuật nấm men tạo ra các loại thuốc mới, tạo ra các liệu pháp gen mới hoặc thậm chí giúp chúng ta tìm ra các gen mới được chôn giấu trong khối mã khổng lồ”.

Công trình này củng cố thêm lý thuyết cho rằng trạng thái phiên mã rất tích cực của nấm men được tinh chỉnh đến mức DNA ngoại lai hiếm khi được tiêm vào nấm men chẳng hạn bằng cách vi-rút Bởi vì nó tự sao chép nên nó có nhiều khả năng được phiên mã thành RNA hơn. Nếu RNA này tạo ra một loại protein có chức năng hữu ích thì mã đó sẽ được bảo tồn thông qua quá trình tiến hóa dưới dạng gen mới. Không giống như sinh vật đơn bào trong nấm men, vốn có khả năng cung cấp các gen mới đầy rủi ro thúc đẩy quá trình tiến hóa nhanh hơn, các tế bào động vật có vú, với tư cách là một phần của cơ thể chứa hàng triệu tế bào hợp tác, ít có khả năng kết hợp DNA mới mỗi khi tế bào gặp virus. . Một số cơ chế quản lý bảo vệ mã được cân bằng cẩn thận như vốn có.

DNA lớn

Nghiên cứu mới phải tính đến kích thước của các chuỗi DNA, vì có 3 tỷ “chữ cái” trong bộ gen của con người và một số gen dài 2 triệu chữ cái. Mặc dù các kỹ thuật phổ biến cho phép thực hiện thay đổi từng chữ cái, một số nhiệm vụ kỹ thuật sẽ hiệu quả hơn nếu các nhà nghiên cứu xây dựng DNA từ đầu, thực hiện các thay đổi sâu rộng đối với một lượng lớn mã được biên dịch trước và thay thế nó trong một ô thay vì đối tác tự nhiên của nó. Vì gen của con người rất phức tạp nên phòng thí nghiệm của Bucky lần đầu tiên phát triển phương pháp “kiểu gen” ở nấm men, nhưng gần đây đã sửa đổi nó để phù hợp với mã di truyền của động vật có vú. Các tác giả nghiên cứu sử dụng tế bào nấm men để tập hợp các chuỗi DNA dài trong một bước duy nhất, sau đó đưa chúng vào tế bào gốc phôi chuột.

Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm nghiên cứu đã giải quyết câu hỏi về mức độ lan truyền phiên mã trong suốt quá trình tiến hóa bằng cách đưa vào một đoạn DNA được thiết kế tổng hợp dài 101 kilobase – gen hypoxanthine photphoribosyltransferase 1 (HPRT1) của con người theo thứ tự mã hóa ngược. Họ đã quan sát thấy hoạt động rộng rãi của gen trong nấm men, mặc dù thiếu mã vô nghĩa đối với các chất xúc tiến, đó là những đoạn DNA đã tiến hóa để báo hiệu sự bắt đầu phiên mã.

Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã xác định được các chuỗi nhỏ trong mã đảo ngược, các đoạn lặp đi lặp lại của các khối xây dựng adenosine và thymine, được nhận biết bởi các yếu tố phiên mã, là các protein liên kết với DNA để bắt đầu phiên mã. Các tác giả cho biết những chuỗi như vậy chỉ dài từ 5 đến 15 chữ cái, có thể dễ dàng xảy ra ngẫu nhiên và có thể giải thích phần nào trạng thái mặc định hoạt động mạnh của nấm men.

Ngược lại, biểu tượng tương tự bị đảo ngược, được đưa vào bộ gen của tế bào gốc phôi chuột, nó không gây ra sự phiên mã rộng rãi. Trong kịch bản này, quá trình phiên mã bị ức chế mặc dù các dinucleotide CpG tiên tiến, được biết là có tác dụng ngăn chặn các gen (im lặng), không có hiệu quả trong mã ngược. Nhóm nghiên cứu tin rằng các yếu tố thiết yếu khác trong bộ gen của động vật có vú có thể hạn chế quá trình phiên mã nhiều hơn so với ở nấm men, có lẽ bằng cách tuyển dụng trực tiếp một phức hợp protein (phức hợp nhiều CD) có chức năng làm im lặng gen.

Tác giả đầu tiên Brendan Camillato, một nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Buckey, cho biết: “Chúng ta càng tiến gần đến việc đưa 'giá trị bộ gen' của DNA vô nghĩa vào tế bào sống thì chúng ta càng có thể so sánh nó với bộ gen đang tiến hóa thực tế tốt hơn”. “Điều này có thể đưa chúng ta đến những giới hạn mới của liệu pháp tế bào được thiết kế, vì khả năng chèn DNA tổng hợp lâu hơn cho phép hiểu rõ hơn về những gì bộ gen được chèn vào sẽ chịu đựng được và có khả năng bao gồm một hoặc nhiều gen lớn hơn, được thiết kế hoàn chỉnh. ”

Tham khảo: “Trình tự tổng hợp đảo ngược tiết lộ trạng thái gen giả định” của Brendan R. Camellato, Ran Brosh và Hannah J. Ash và Matthew T. Morano và Jeff D. Bucky, ngày 6 tháng 3 năm 2024, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2