Bakterie kodują geny ukryte poza swoim genomem; czy my?

Odkąd w latach sześćdziesiątych XX wieku po raz pierwszy odszyfrowano kod genetyczny, nasze geny wydają się otwartą księgą. Czytając i dekodując nasze chromosomy jako liniowe ciągi liter, niczym zdania w powieści, możemy zidentyfikować geny w naszym genomie i dowiedzieć się, dlaczego 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 Columbii 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 z Stephen Tang, lekarz medycyny/doktorat studentka uczelni 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”.

Praca jest opublikowany w dzienniku Nauka.

„Zadziwiające” i „obca biologia”

O reakcji naukowej zrobiło się głośno już kilka miesięcy temu, kiedy artykuł ukazał się po raz pierwszy jako przeddruk. w Natura W artykule prasowym naukowcy nazwali odkrycie „obcą biologią”, „zadziwiającym” i „szokującym”.

„To wielokrotnie budziło w nas niedowierzanie” – mówi Tang – „a gdy mechanizm stopniowo pojawiał się przed oczami, przechodziliśmy od wątpliwości do zdumienia”.

Bakterie i ich wirusy toczą ze sobą walkę od eonów, ponieważ wirusy próbują wstrzyknąć swoje DNA do genomu bakterii, a bakterie opracowują przebiegłe metody (np. CRISPR), aby się bronić. Wiele mechanizmów obronnych bakterii pozostaje niezbadanych, ale mogą prowadzić do nowych narzędzi do edycji genomu.

Bakteryjny system obronny, który Sternberg i Tang wybrali do zbadania, jest dziwny: system składa się z fragmentu RNA o nieznanej funkcji i odwrotnej transkryptazy, enzymu syntetyzującego 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 replikacji wirusa i infekowaniu sąsiednich komórek.

Geny pozachromosomalne u ludzi?

Jeśli podobne geny swobodnie unoszą się w komórkach organizmów wyższych, „byłoby to naprawdę odkrycie zmieniające zasady 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 kodujących, na których polegamy dla 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.