Исследование Скрытых Генетических Элементов: Существуют ли Гены вне Наших Геномов, как у Бактерий?

С 1960-х годов наше понимание генетики основывалось на представлении о линейной структуре генов. Подобно тому, как мы читаем предложения, расшифровывая хромосомы в виде последовательных нуклеотидов, мы смогли идентифицировать гены и понять, как мутации влияют на здоровье.
Когда-то линейный подход к генетике считался универсальным и применимым ко всем формам жизни, от людей до бактерий.
Однако прорывное исследование Колумбийского университета опровергло это представление. В ходе исследования было установлено, что бактерии способны создавать временные, свободно плавающие гены, существующие вне традиционной геномной структуры. Это открытие предполагает, что подобные экстрагеномные генетические элементы могут присутствовать и у людей, ставя под сомнение устоявшиеся представления о структуре генетического материала.
Сэмюэл Стернберг, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии в колледже врачей и хирургов Вагелоса, возглавивший исследование вместе с Стивеном Танем, студентом программы MD/PhD, объясняет: «Это открытие ставит под сомнение давнюю веру в то, что хромосома содержит весь набор инструкций, необходимых для производства белков в клетках».

Он добавляет: «Теперь мы понимаем, что у бактерий существуют важные инструкции, выходящие за рамки генома, которые жизненно необходимы для выживания клетки».

На протяжении тысячелетий бактерии и их вирусы вели непрерывную борьбу. Вирусы пытаются встраивать свою ДНК в бактериальные геномы, в то время как бактерии разрабатывают сложные защитные механизмы, такие как CRISPR, чтобы противостоять этим атакам. Хотя многие бактериальные механизмы защиты остаются неисследованными, они обладают потенциалом для разработки новых технологий редактирования генома.
В своем исследовании Штернберг и Тан изучили особенно необычную бактериальную защитную систему. Эта система включает молекулу РНК с неизвестной функцией и фермент обратной транскриптазы, который превращает РНК в ДНК. Согласно Таню, «большинство известных бактериальных защитных механизмов связано с разрезанием или деградацией вирусной ДНК, поэтому концепция защиты генома посредством синтеза ДНК оказалась весьма загадочной».

Неожиданная Бактериальная Защита: Открытие Свободноплавающего Функционального Гена

Для изучения работы этого необычного механизма защиты Тан разработал новый метод обнаружения ДНК, создаваемой обратной транскриптазой. Он обнаружил, что эта ДНК была необычайно длинной и повторяющейся, содержащей множество копий короткой последовательности, происходящей из РНК защитной системы.
Тан заметил, что этот сегмент РНК образует петлю, и обратная транскриптаза многократно обходит эту петлю, создавая повторяющуюся ДНК. Штернберг сравнил этот процесс с копировальным аппаратом, который бесконечно воспроизводит одну и ту же страницу: «Это как если бы вы пытались сделать ксерокопию книги, но аппарат начал выдавать одну и ту же страницу снова и снова».
Сначала исследователи подозревали, что их эксперименты могли быть ошибочными, или что фермент производит несущественную ДНК. Однако дальнейшие исследования Тана показали, что обнаруженная ДНК была функциональным, свободноплавающим временным геном.
Этот ген кодирует белок, названный Neo, который играет важную роль в системе антивирусной защиты бактерий. Когда вирус заражает бактерии, Neo производится, чтобы ингибировать репликацию вируса и предотвратить его распространение на другие клетки.

Исследование Генов вне Человеческой Хромосомы

Если аналогичные свободноплавающие гены будут обнаружены в клетках высших организмов, это станет прорывом, по мнению Штернберга. «Возможно, существуют гены или ДНК-последовательности, которые находятся вне 23 обычных человеческих хромосом. Они могут быть специфичными для определенных условий, стадий развития или генетического контекста, но при этом могут кодировать важную информацию, жизненно необходимую для нашей физиологии».
Команда исследователей сейчас использует методики Тана для изучения экстрахромосомных генов у людей, которые могут производиться обратными транскриптазами.
Геном человека содержит тысячи генов обратной транскриптазы, многие из которых имеют неизвестные функции. «Здесь есть значительная возможность для новых биологических открытий, которые могут дать ценные инсайты», добавляет Стернберг.

Источник Инноваций в Редактировании Генов

Хотя генотерапия на основе CRISPR развивается и недавно была одобрена для лечения серповидноклеточной анемии, технология имеет свои ограничения.

Новые методики, интегрирующие CRISPR с обратной транскриптазой, расширяют возможности редактирования генома. «Обратная транскриптаза позволяет вводить новую генетическую информацию на местах разрезов, созданных CRISPR, чего сам CRISPR не может достичь», объясняет Тан. Однако широко используемые обратные транскриптазы основаны на старых открытиях.

Обратная транскриптаза, ответственная за создание Neo, обладает уникальными свойствами, которые могут улучшить редактирование генома и способствовать развитию новых генотерапий. Кроме того, множество неисследованных обратных транскриптаз у бактерий открывают перспективы для будущих прорывов.

«Мы считаем, что бактерии могут обладать множеством обратных транскриптаз с нераскрытым потенциалом, которые могут служить основой для инновационных технологий, как только мы полностью поймем их механизмы», — говорит Стернберг.

Источник:https://www.cuimc.columbia.edu/news/should-people-kidney-disease-get-genetic-testing