Genomstruktureringsprogram registreret i RNA • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Genetik

Et genomlægningsprogram er skrevet i RNA.

Oxidrich infusoria (foto fra www.gpmatthews.nildram.co.uk)

Amerikanske biologer har opdaget, at genomiske omlejringer forekommer under udviklingen af ​​ciliater Oxytricha, styres af et "program" skrevet i RNA molekyler. Ved at indføre kunstigt syntetiserede RNA-molekyler i cellen er det muligt at målrettet ændre det "arbejdende" genom gemt i den store nucleus og bestemme strukturen og opførelsen af ​​infusoria. Det andet genom, som ikke virker, opbevares i den lille kerne og tjener udelukkende til at overføre gener til afkom. Opdagelsen viste, at en stor og meget vigtig del af den arvelige information i ciliater overføres sammen med RNA-molekyler, som er kopier af kromosomerne i den store kerne.

De gange, hvor ændringer i genomet blev betragtet som helt tilfældige, var en fortid. I dag er det velkendt, at en levende celle har et stort arsenal af værktøjer, der gør det muligt at styre genetiske forandringer. Her er blot nogle få eksempler:

  1. Bakterier kan målrettet øge mutationsfrekvensen under ugunstige forhold (se: Når der er mange skadelige mutationer, er de ikke så skadelige, Elements, 6 december 2005).
  2. Nogle mikrober omsætter omhyggeligt generne af deres overfladeproteiner for at undslippe immunsystemets virkning (se: Gonococci narre immunsystemet,gør kontrollerede ændringer til dit genom, Elements, 31 maj 2006).
  3. Immunsystemernes celler ændrer målrettet deres genom, skaber gener for nye antistoffer og T-cellereceptorer ved at kombinere DNA-fragmenter og "hypermutering" (se: Mutagenese i lymfocytter er resultatet af målrettet DNA-ændring og efterfølgende "unøjagtig reparation", "Elements", 03.09. 2007).
  4. Bevægelse af genetiske elementer, hvis de gives fri tøj, er i stand til at vende hele genomet, men cellen kan regulere deres aktivitet efter vilje (se: I pattedyr er der fundet et kontrolsystem for mobile genetiske elementer, Elements, 05.11.2007).
  5. DNA-methylering er en af ​​de "epigenetiske" mekanismer til regulering af genaktivitet og påvirker på en forudsigelig måde sandsynligheden for mutation af individuelle nukleotider (se: B. F. Vanyushin. Materialisering af epigenetika eller mindre ændringer med store konsekvenser, Pdf, 180 Kb).

Et af de mest overraskende eksempler på målrettet omstrukturering af genomet er dannelsen af ​​makronukleuset (store kerner) i ciliater. Elementerne har allerede behandlet dette emne sidste år (se: Antallet af gener i ciliens genom viste sig at være det samme som hos mennesker, Elements, den 7. september 2006. Denne note indeholder også grundlæggende information om ciliats genetik og livscyklus ).

I løbet af det sidste år har videnskaben udviklet sig meget langt i forståelsen af ​​guidede genomiske omlejringer i ciliater. Ny artikel af amerikanske biologer offentliggjort i tidsskriftet natur, repræsenterer et meget vigtigt gennembrud på dette område.

Ciliater – den mest komplekse single-cellede organismer, og generelt – toppen af ​​hvad der kunne skabe udvikling på single-celle niveau. Ciliats struktur på mange måder ligner multicellulære, selv om der kun er en celle. For eksempel er der i multicellulære dyr en forskel på generative celler, hvis genom er beskyttet mod alle slags forandringer (det vil altså blive arvet af efterkommere) og somatiske celler, hvis genom kan ændres efter behov (for eksempel nogle dele af genomet, der ikke er nødvendige i et givet væv eller organ, eller komplekse målrettede omlejringer kan forekomme som i lymfocytter). Genetiske ændringer i somatiske celler er normalt ikke arvelige. Ciliater har også to genomer – generative og vegetative (somatiske). Den første er opbevaret i en lille kerne (micronucleus), indeholder en masse transposoner og ikke-kodende regioner, og er generelt uvirksom, hvis ikke at sige – i fuldstændig kaos.For eksempel er mange gener i det revet i stykker og blandet i en sådan tangle, at ingen splejsning kan unraveled. Men det er alligevel et normalt, alligevel stærkt forsømt, stort eukaryotisk genom. Forresten er antallet af gener i infusoria og hos mennesker omtrent det samme (ca. 30 tusind). Mikronucleusgenomet virker naturligvis ikke (det kunne ikke), og tjener kun til at overføre gener til afkom under seksuel reproduktion.

Det vegetative (somatiske, arbejdende) genom af ciliaterne opbevares i en stor kerne (makronukleus) og er på mange måder meget forskellig fra andre eukaryotiske genomer. På ciliate OxytrichaDen diskuterede artikel er dedikeret til den og består af tusindvis af individuelle "nanochromoer". Disse er reelle kromosomer, kun meget små, som normalt kun indeholder et gen. Hvert nanochromosom- eller MAK-kromosom er til stede i makronukleuset i et meget stort antal kopier. Følgelig duplikeres hele vegetativt genom gentagne gange, det vil sige, at makronukleuset er polyploid (mikronukleus er diploidkernen).

Størrelsen af ​​det vegetative oxytrich-genom er så meget som 20 gange mindre end de generative (henholdsvis 50 millioner og 1 milliard basepar; til sammenligning er det 3 milliarder mennesker og normalt op til 10 millioner i bakterier).En sådan radikal reduktion opnås ved simpelthen at udskyde alt "overskud" fra det generative genom.

Infusoria formere sig ved division, mens de deler begge kerne. Fra tid til anden er ciliater konjugeret – de er parret til at udveksle arveligt materiale (konjugation er en særlig slags seksuel proces). Under konjugationen undergår mikronukleus meiosi, det vil sige en sådan division, hvor antallet af kromosomer halveres. Konjugeret infusoria bytter "halvdele" af deres mikronuclei. Disse halvdele smelter sammen, og hver ciliate får en hel micronucleus, hvor halvdelen af ​​kromosomer er dens egen, og halvdelen er modtaget fra en partner. Derefter separeres ciliaterne og fortsætter med at leve som de levede, med den lille forskel, at fra genetisk synspunkt, er hver af dem nu blevet sin egen datter.

Under konjugering eller umiddelbart efter det bliver makronukleuset sammen med dets genom ødelagt og derefter genoprettet på ny. Grundlaget er det generative micronucleus genom, men det gennemgår en radikal omstrukturering. 95% af det generative genom er simpelthen fjernet.Næsten alle transposoner og ikke-kodende sekvenser går "at udstede". Der er rene gener, næsten uden urenheder. Men genorganisationen af ​​genomet er ikke begrænset til fjernelse af affald. Der er også "disentangling" – samlingen af ​​arbejdende gener fra fragmenterede og indviklede fragmenter. Som vi husker, er mange gener i det generative genom knust i små stykker og blandet sammen. Imellem disse stykker kan være lange ikke-kodende indsatser. Disse er ikke almindelige introner, der fjernes under splejsning (der er også infusoria-introner, men de er en del af de konserverede fragmenter). Disse er specielle "ekstra" klumper af genomet, der kun er karakteristiske for ciliater og slettes, når makronukleus vegetative genom er dannet.

For eksempel kan et gen i et generativt genom have følgende struktur: 2X7X5X4X8X1X3X6 (tallene betegner "arbejder" genfragmenter, bogstavet X repræsenterer "unødvendige" indsatser af forskellige længder). I det vegetative genom vil dette gen se sådan ud: 12345678.

Hvordan kan en celle i hvilken rækkefølge det er nødvendigt at forbinde fragmenterne? Indtil nu var svaret på dette spørgsmål ikke.

Forskere ved Princeton University har etableretat for "disentanglement" af ciliatens genetiske informationer anvendes prøver (matricer), som er RNA-molekyler, aflæses fra makronukleusnanochromosomer (MAC-kromosomer), før makronukleuset blev ødelagt.

RNA-skabelonen, der læses fra MAK-kromosomet inden ødelæggelsen af ​​makronukleusen, tjener som "nøglen" til at disentangle den genetiske information indeholdt i MIC-kromosomet. sort markerede endeafsnit af kromosomer – telomerer. Fig. fra den pågældende artikelnatur

For at finde ud af, var jeg nødt til at lave mange komplicerede forsøg.

For at teste hypotesen om rollen af ​​RNA-matricer i samlingen af ​​MAK-kromosomer anvendte forskere RNA-interferensmetoden. Ciliaterne blev fodret med genetisk modificerede bakterier, der producerer dobbeltstrengede RNA-molekyler, der matcher sekvensen af ​​nukleotider med et fragment af en af ​​MAK-kromosomer. Eukaryote celler behandler dobbeltstrenget RNA med forsigtighed, tag dem for virus og begynder at ødelægge alt RNA med en sådan sekvens af nukleotider, herunder regelmæssig enkeltstrenget. Dette er grundlaget for metoden til "slukning" gener.Tanken var, at ciderne ville have ødelagt en af ​​de RNA-matricer, der var nødvendige for at samle MAK-kromosomerne efter at have spist bakterier. Så det skete. Som et resultat blev der efter konjugering opnået ciliaterne, hvori det tilsvarende afsnit af en af ​​MAK-kromosomer blev samlet ukorrekt eller ikke samlet i det hele taget – lige efterladt som det var i MIC-kromosomet. I dette tilfælde blev alle de andre MAC-kromosomer samlet korrekt.

Derfor er RNA-skabeloner faktisk involveret i programmeret omstrukturering af genomet. Men hvad er de – er de kopier af hele nanochromos eller deres individuelle sektioner?

Forskere begyndte at isolere og analysere RNA fra ciliater på forskellige stadier af livscyklusen. Det viste sig, at adskillige timer efter konjugation (lige når den gamle makronukleus kollapser og den nye begynder at danne) vises lange transkripter (RNA molekyler) i cellerne, svarende til hele MAK-kromosomer sammen med terminalområderne – telomerer. 30-50 timer efter konjugering forsvinder disse transkripter.

Før fjernelse af makronukleuset sammen med det vegetative genom fjerner cellen således en "backupkopi" fra hvert MAC-kromosom.Denne kopi, som er et RNA-molekyle, bruges senere som en prøve til samling af nye små og pæne MAK-kromosomer fra den skændsel, der optages i MIC-kromosomerne.

Det næste spørgsmål var hvor præcist RNA-skabelonerne regulerer MAK-kromosomernes samlingsproces, og er det muligt at kontrollere denne proces ved at indsætte kunstige RNA-skabeloner i cellen? Forskere syntetiserede flere RNA-molekyler, svarende til de "rigtige" RNA-skabeloner, men med en ændret rækkefølge af fragmenter. Hvis for eksempel et MIC-gen med strukturen 2X7X5X4X8X1X3X6, har den korrekte RNA-skabelon formularen 12345678, og i en syntetisk matrix udskiftes nogle par fragmenter (for eksempel 13245678).

Injektionen af ​​sådanne matricer ind i ciliaterne efter konjugering førte til dannelsen af ​​to typer MAK-kromosomer: nogle reproducerede den korrekte rækkefølge af fragmenter (de korrekte matricer blev jo ikke fjernet fra cellerne), andre er dem der var til stede i de kunstige matricer. Husk at hvert MAC-kromosom i en makronukle er til stede i et stort antal kopier. Således udfører RNA-skabeloner meget præcis kontrol af samlingsprocessen for MAc-kromosomerne, og ved hjælp af kunstige skabeloner kan denne proces styres i den ønskede retning.

Det næste vigtige spørgsmål er: opretter RNA-skabeloner kun de gener, der blandes i det generative genom (det vil sige, de har den forkerte rækkefølge af fragmenter) eller er denne mekanisme universel og anvendt til alle gener uden undtagelse?

Forskere producerede og introducerede i ciliater-RNA-matrixen med den forkerte rækkefølge af fragmenter for de gener, som ikke blandes i det generative genom, og derfor behøver ikke at være "untangled" (de behøver kun at skære "ekstra" stykker). Som følge heraf blev de tilsvarende gener i MAK-kromosomerne fejlagtigt samlet. Derfor er mekanismen universel.

Herfra følger en interessant evolutionær konklusion. Da infusoria allerede har udviklet et universelt system med "disentangling" knuste og indviklede gener, vil yderligere fragmentering af MIC-generne og omlejringer af deres dele ikke længere blive elimineret ved udvælgelse. Der er trods alt en oprivningsmekanisme, han er ligeglad, han vil rette alt. Det er tilsyneladende derfor, at ciliaternes MIC-genomer gradvist kom til kaos.

Når man ser på billedet, kan man forstå, at systemet oprindeligt kunne have udviklet sig for blot at fjerne unødvendige stykker af genomet, og dets "unraveling" -funktion opstod i dette tilfælde automatisk i sig selv som en slags tilføjelse – først unødvendig, men da blev det nødvendigt.

Således transmitteres information om sekvensen, hvor det er nødvendigt at sy fragmenter af gener af det generative genom, til afkom fra infusoria på en "ikke-klassisk" måde – i form af RNA-molekyler. Men det er ikke så lille en del af den arvelige information!

Kan RNA-skabelonerne også overføre sekvensinformationen til de enkelte nukleotider til afkom? Indtil videre har vi kun talt om sekvensen af ​​genfragmenter, det vil sige stykker af tiere eller hundredvis af nukleotider i længden. Hvert gen, som det er kendt, kan eksistere i form af flere varianter (alleler), der adskiller sig i enkelt nukleotidsubstitutioner eller insertioner. Derfor er korrespondancen mellem RNA-skabelonen og MAK-kromosomerne opsamlet på dens basis ikke altid absolut. Individuelle nukleotider kan variere, og dette interfererer ikke med korrekt samling.

I princippet er det muligt, at nogle nukleotidsubstitutioner kan overføres fra RNA-skabelonen til det samlede MAK-kromosom. Det er selvfølgelig ikke fornuftigt for ciliater at overføre alle forskelle af denne art til MAC-kromosomet. Efter konjugeringen vil MAC-kromosomerne forblive fuldstændig identiske med moderkromosomerne, og konjugationen vil miste al mening. Men som det viste sig, overføres nogle nukleotidsubstitutioner stadig til MAK-kromosomerne fra RNA-skabelonerne.Dette sker imidlertid ikke langs hele længden af ​​genet, der høstes, men kun i umiddelbar nærhed af stederne til sting af fragmenterne. Dette er et meget vigtigt faktum, der entydigt indikerer, at DNA-hærdningsmekanismen baseret på RNA-matrixer (se: RNA tjener som en matrix til reparation af DNA-beskadigelse, elementer) , 21.05.2007).

Kan lignende genomeedigeringssystemer baseret på brugen af ​​RNA-skabeloner arbejde i andre organismer, og ikke kun i ciliater? Hvorfor ikke? Har brug for at søge. En række opdagelser i de seneste år viser tydeligt, at en levende celle stadig har mange ukendte molekylære mekanismer, herunder dem der bruges til målrettet at ændre sit eget genom.

Kilde: Mariusz Nowacki, Vikram Vijayan, Yi Zhou, Klaas Schotanus, Thomas G. Doak, Laura F. Landweber. RNA-medieret epigenetisk programmering af en genomlægningsvej // natur. Advance online publikation 28. november 2007.

Ved overførsel af genetisk information ved hjælp af RNA, se også:
1) Mekanismen for ikke-Mendel-arvelighed forbliver mystisk, "Elements", 10/17/2007.
2) Den arvelige information registreres ikke kun i DNA, "Elements", 01.06.2006.
3) Har embryoner brug for gener?, "Elements", 05/08/2007.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: