Вчені виявили, як наша ДНК може використовувати генетичну кнопку перемотування вперед, щоб створити нові гени для швидкої адаптації до середовища, яке постійно змінюється. Під час розслідування помилок реплікації ДНК дослідники з фінського Університету Гельсінкі виявили, що певні окремі мутації створюють паліндроми, які читаються однаково назад і вперед. За відповідних обставин вони можуть еволюціонувати в гени мікроРНК (міРНК).
Ці крихітні прості гени відіграють важливу роль у регуляції інших генів. Багато генів мікроРНК існують протягом тривалого часу в історії еволюції, але вчені виявили, що в деяких групах тварин, наприклад у приматів, раптово з’являються абсолютно нові гени мікроРНК.
«Поява нових генів з нічого зачарувала дослідників», — каже біоінформатик Хелі Монттінен, перший автор нового дослідження. «Тепер у нас є елегантна модель еволюції генів РНК».
Помилки, які дозволяють цей надзвичайно ефективний метод створення генів, називаються шаблонними мутаціями (TSM). Процес створення мікроРНК, пов’язаний із TSM, відбувається набагато швидше, ніж еволюція нових функціональних білків.
«ДНК копіюється одна основа за раз, і зазвичай мутації є помилковими одиночними основами, як неправильні удари по клавіатурі ноутбука», — каже керівник проекту та біоінформатик Арі Лойтиноя.
«Ми досліджували механізм створення більших помилок, як-от копіювання тексту з іншого контексту. Нас особливо цікавили випадки копіювання тексту назад, щоб створити паліндром».
Усі молекули РНК потребують повторюваних наборів основ, які фіксують молекулу в робочій формі. Команда вирішила зосередитися на генах мікроРНК, які є надзвичайно короткими і складаються приблизно з 22 пар основ. Але навіть для простих генів мікроРНК шанси випадкових базових мутацій, які повільно утворюють такі паліндромні цикли, дуже низькі.
Вчені були спантеличені тим, звідки взялися ці паліндромні послідовності. Виявляється, TSM можуть швидко виробляти повні паліндроми ДНК, створюючи нові гени мікроРНК з раніше некодуючих послідовностей ДНК.
«У молекулі РНК основи суміжних паліндромів можуть об’єднуватися й утворювати структури, схожі на шпильку. Такі структури мають вирішальне значення для функціонування молекул РНК», — каже біотехнолог Мікко Фріландер.
Повні геноми багатьох приматів і ссавців уже нанесені на карту. Порівнюючи ці геноми за допомогою спеціального комп’ютерного алгоритму, дослідники змогли з’ясувати, які види мають паліндромну пару мікроРНК.
«Завдяки детальному моделюванню історії ми могли побачити, що цілі паліндроми створюються одними подіями мутації», — пояснює Монттінен.
Наведена нижче схема добре ілюструє процес. Оскільки реплікація ДНК починає проходити через кожну пару основ у списку рецептів, вона зупиняється, коли потрапляє на мутацію або несправну пару основ. Реплікація потім переходить до сусіднього шаблону та починає копіювати ці інструкції, але у зворотному напрямку. Коли реплікація повертається до вихідного шаблону, це створює крихітний паліндром, який може поєднуватися сам із собою у структуру шпильки.
Перемикання шаблону під час реплікації ДНК дозволяє одній мутації створити ідеальну структуру в ДНК для нового гена мікроРНК. Це набагато ефективніше, ніж повільні та поступові зміни, які можуть відбуватися з окремими будівельними блоками. У генеалогічному дереві приматів було знайдено понад 6000 таких структур, які могли дати початок щонайменше 18 абсолютно новим генам мікроРНК у людей. Це 26 відсотків усіх мікроРНК, які, як вважають, виникли з моменту появи приматів.
Подібні висновки, які охоплюють еволюційні лінії, вказують на універсальний механізм створення генів мікроРНК, і команда вважає, що результати можна застосувати також до інших генів і молекул РНК. Здається, відносно легко з’являються нові гени мікроРНК, які потенційно можуть вплинути на здоров’я людини. Деякі асоційовані з TSM мікроРНК вже показали функціональне значення, наприклад hsa-mir-576, який впливає на противірусну відповідь у приматів.
«Багато варіантів TSM, здатних стати генами мікроРНК, поділяються серед людських популяцій, — пишуть автори, — що вказує на те, що процес TSM активний і формує наші геноми прямо зараз».