Naukowcy z Columbii odkryli, że bakterie mogą tworzyć swobodnie pływające, tymczasowe geny poza swoimi chromosomami, co podważa długo utrzymywane przekonanie, że wszystkie instrukcje genetyczne zawarte są w genomie. Odkrycie to otwiera możliwość istnienia podobnych genów u ludzi, potencjalnie rewolucjonizując nasze rozumienie genetyki i edycji genów.
Naukowcy z Columbii odkryli, że bakterie tworzą tymczasowe, swobodnie unoszące się geny poza swoim genomem, co stanowi przełom, który może zmienić genetykę i terapię genową.
Od czasu pierwszego rozszyfrowania kodu genetycznego w latach sześćdziesiątych XX wieku nasze geny wyglądają jak otwarta księga. Interpretując nasze chromosomy jako liniowe sekwencje liter, przypominające zdania w powieści, możemy zidentyfikować geny w naszym genomie i zrozumieć, w jaki sposób zmiany w kodzie genu wpływają na zdrowie.
Uważano, że ta liniowa zasada życia rządzi wszystkimi formami życia – od ludzi po bakterie.
Jednak nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Uniwersytetu Columbia pokazuje, że bakterie łamią tę zasadę i mogą tworzyć swobodnie unoszące się w powietrzu i efemeryczne geny, co zwiększa prawdopodobieństwo, że podobne geny istnieją poza naszym własnym genomem.
„To odkrycie wywraca do góry nogami pogląd, że chromosom posiada pełny zestaw instrukcji wykorzystywanych przez komórki do produkcji białek” – mówi Samuel Sternberg, profesor nadzwyczajny biochemii i biologii molekularnej w Vagelos College of Physicians and Surgeons, który kierował badaniami wraz z Stephen Tang, student medycyny/doktorant w szkole medycznej.
„Teraz wiemy, że przynajmniej w przypadku bakterii mogą istnieć inne instrukcje, które nie są zachowane w genomie, a mimo to są niezbędne do przeżycia komórki”.
„Zadziwiająca” i „obca biologia”
O reakcji naukowej zrobiło się głośno już kilka miesięcy temu, kiedy artykuł ukazał się po raz pierwszy jako przeddruk. w Wiadomości przyrodnicze artykule naukowcy nazwali odkrycie „obcą biologią”, „zadziwiającym” i „szokującym”.
„To wielokrotnie pozostawiało nas z niedowierzaniem” – mówi Tang, „a gdy mechanizm stopniowo pojawiał się w polu widzenia, przechodziliśmy od wątpliwości do zdumienia”.
Bakterie i ich wirusy toczą ze sobą bitwę od eonów, podczas gdy wirusy próbują wstrzyknąć swoje bakterie DNA do genomu bakterii, a bakterie obmyślają sprytne metody (np. CRISPR), aby się bronić. Wiele mechanizmów obronnych bakterii pozostaje niezbadanych, ale mogą prowadzić do nowych narzędzi do edycji genomu.
Bakteryjny system obrony, który Sternberg i Tang wybrali do zbadania, jest dziwny: system ten składa się z fragmentu RNA o nieznanej funkcji i odwrotnej transkryptazie, enzymie syntetyzującym DNA z matrycy RNA. Najpopularniejsze systemy obronne bakterii tną lub degradują napływające wirusowe DNA, „dlatego zdziwił nas pomysł obrony genomu poprzez syntezę DNA” – mówi Tang.
Swobodnie pływające geny
Aby dowiedzieć się, jak działa dziwna obrona, Tang najpierw stworzył nową technikę identyfikacji DNA wytwarzanego przez odwrotną transkryptazę. DNA, które znalazł, było długie, ale powtarzalne i zawierało wiele kopii krótkiej sekwencji w cząsteczce RNA systemu obronnego.
Następnie zdał sobie sprawę, że ta część cząsteczki RNA składa się w pętlę, a odwrotna transkryptaza wielokrotnie krąży wokół pętli, tworząc powtarzalny DNA. „To tak, jakbyś chciał kserować książkę, ale kopiarka zaczęła w kółko drukować tę samą stronę” – mówi Sternberg.
Naukowcy początkowo sądzili, że coś może być nie tak z ich eksperymentami lub że enzym popełnia błąd, a utworzone przez niego DNA jest bez znaczenia.
„Wtedy Stephen sprytnie poszukał i odkrył, że cząsteczka DNA jest w pełni funkcjonującym, swobodnie poruszającym się, przejściowym genem” – mówi Sternberg.
Naukowcy odkryli, że białko kodowane przez ten gen stanowi kluczową część systemu obrony przeciwwirusowej bakterii. Infekcja wirusowa uruchamia produkcję białka (nazwanego przez badaczy Neo), które zapobiega wirus przed replikacją i infekowaniem sąsiednich komórek.
Geny pozachromosomalne u ludzi?
Jeśli podobne geny zostaną znalezione swobodnie pływające w komórkach organizmów wyższych, „byłoby to naprawdę odkrycie zmieniające reguły gry” – mówi Sternberg. „Mogą istnieć geny, czyli sekwencje DNA, które nie znajdują się w żadnym z 23 ludzkich chromosomów. Być może powstają tylko w określonych środowiskach, w określonych kontekstach rozwojowych lub genetycznych, a mimo to dostarczają kluczowych informacji o kodowaniu, na których polegamy w przypadku naszej normalnej fizjologii.
Laboratorium wykorzystuje obecnie metody Tanga do poszukiwania ludzkich genów pozachromosomalnych wytwarzanych przez odwrotne transkryptazy.
W ludzkim genomie istnieją tysiące genów odwrotnej transkryptazy, a wiele z nich ma wciąż nieodkryte funkcje. „Istnieje znacząca luka do wypełnienia, która może ujawnić bardziej interesującą biologię” – mówi Sternberg.
Źródło edycji genów
Chociaż terapie genowe wykorzystujące edycję CRISPR znajdują się w fazie badań klinicznych (a jedna została zatwierdzona w zeszłym roku w przypadku anemii sierpowatej), CRISPR nie jest technologią idealną.
Nowe techniki łączące CRISPR z odwrotną transkryptazą dają inżynierom genomu większe możliwości. „Odwrotna transkryptaza umożliwia zapisywanie nowych informacji w miejscach wycinanych przez CRISPR, czego sam CRISPR nie jest w stanie zrobić” – mówi Tang – „ale wszyscy używają tej samej odwrotnej transkryptazy, którą odkryto kilkadziesiąt lat temu”.
Odwrotna transkryptaza wytwarzająca Neo ma pewne właściwości, które mogą sprawić, że będzie lepszą opcją do edycji genomu w laboratorium i tworzenia nowych terapii genowych. A bardziej tajemnicze odwrotne transkryptazy istnieją w bakteriach, które czekają na odkrycie.
„Uważamy, że bakterie mogą posiadać skarbnicę odwrotnych transkryptaz, które mogą stać się odpowiednim punktem wyjścia dla nowych technologii, gdy tylko zrozumiemy, jak one działają” – mówi Sternberg.
Odniesienie: „Synteza genów de novo przez przeciwwirusową odwrotną transkryptazę” autorstwa Stephena Tanga, Valentina Conte, Dennisa J. Zhanga, Rimantė Žedaveinytė, George’a D. Lampe, Tannera Wieganda, Lauren C. Tang, Megan Wang, Matt WG Walker, Jerrin Thomas George, Luke E. Berchowitz, Marko Jovanovic i Samuel H. Sternberg, 8 sierpnia 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adq0876
Badania były wspierane przez NIH (grant w ramach programu szkolenia naukowców medycznych T32GM145440, indywidualne stypendium doktoranckie Ruth L. Kirchstein F30AI183830, R35GM124633, R01AG071869 i R01HG012216); Narodowa Fundacja Nauki (stypendium badawcze i nagroda dla absolwentów nr 2224211); staż podoktorski w ramach programu Human Frontier Science Program (LT001117/2021-C); program stypendystów badawczych Schaefera; Hirschl Family Trust, stypendium Pew Biomedical Scholarship, nagroda Irmy T. Hirschl Career Scientist Award, pakiety startowe od Uniwersytet Kolumbii oraz dziekanat Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons; oraz Fundusz Medycyny Precyzyjnej Vagelos.
