科學(xué)家揭示了一種我們的DNA可以從頭開(kāi)始制造新基因的新方法

科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，我們的DNA如何使用基因快進(jìn)按鈕來(lái)制造新的基因，以快速適應(yīng)我們不斷變化的環(huán)境。

在對(duì)DNA復(fù)制錯(cuò)誤的調(diào)查中，芬蘭赫爾辛基大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，某些單一突變會(huì)產(chǎn)生回文，這些回文的前后讀數(shù)相同。在適當(dāng)?shù)那闆r下，這些可以演變成微核糖核酸（miRNA）基因。

這些微小而簡(jiǎn)單的基因在調(diào)節(jié)其他基因中起著重要作用。許多miRNA基因在進(jìn)化史上已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一些動(dòng)物群體中，如靈長(zhǎng)類動(dòng)物，全新的miRNA基因突然出現(xiàn).

“從無(wú)到有的新基因的出現(xiàn)讓研究人員著迷，”說(shuō)生物信息學(xué)家Heli M?nttinen，這項(xiàng)新研究的第一作者。

“我們現(xiàn)在有一個(gè)優(yōu)雅的RNA基因進(jìn)化模型。

允許這種非常有效的基因創(chuàng)建方法的錯(cuò)誤稱為模板切換突變（TSM）。與TSM相關(guān)的miRNA產(chǎn)生過(guò)程比新的功能蛋白的進(jìn)化速度要快得多。

“DNA一次復(fù)制一個(gè)堿基，通常突變是錯(cuò)誤的單一堿基，就像筆記本電腦鍵盤上的打錯(cuò)一樣。說(shuō)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人兼生物信息學(xué)家Ari L?ytynoja。

“我們研究了一種產(chǎn)生更大錯(cuò)誤的機(jī)制，比如從另一個(gè)上下文復(fù)制粘貼文本。我們對(duì)向后復(fù)制文本以創(chuàng)建回文的情況特別感興趣。

所有RNA分子都需要重復(fù)的堿基集，將分子鎖定在其工作形狀中。該團(tuán)隊(duì)選擇專注于microRNA基因，這些基因非常短，由大約22個(gè)基因組成堿基對(duì).

但即使對(duì)于簡(jiǎn)單的microRNA基因，隨機(jī)堿基突變緩慢形成這種回文運(yùn)行的幾率也非常低。

科學(xué)家們一直對(duì)這些回文序列的來(lái)源感到困惑。事實(shí)證明，TSM可以快速產(chǎn)生完整的DNA回文，從以前非編碼的DNA序列中產(chǎn)生新的microRNA基因。

“在RNA分子中，相鄰回文的堿基可以配對(duì)并形成類似于發(fā)夾的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)RNA分子的功能至關(guān)重要。說(shuō)生物技術(shù)專家Mikko Frilander。

許多靈長(zhǎng)類動(dòng)物和哺乳動(dòng)物的完整基因組已經(jīng)繪制出來(lái)。通過(guò)使用自定義計(jì)算機(jī)算法比較這些基因組，研究人員能夠找出哪些物種具有microRNA回文對(duì)。

“通過(guò)對(duì)歷史的詳細(xì)建模，我們可以看到整個(gè)回文是由單個(gè)突變事件創(chuàng)建的，”M?nttinen解釋.

下圖很好地說(shuō)明了該過(guò)程。當(dāng)DNA復(fù)制開(kāi)始通過(guò)其配方列表中的每個(gè)堿基對(duì)時(shí)，當(dāng)它遇到突變或有缺陷的堿基對(duì)時(shí)，它就會(huì)停止。

然后，復(fù)制跳轉(zhuǎn)到相鄰模板，并開(kāi)始向后復(fù)制這些指令。

當(dāng)復(fù)制返回到原始模板時(shí)，這將創(chuàng)建一個(gè)微小的回文，該回文可以在發(fā)夾結(jié)構(gòu)中與自身配對(duì)。

DNA復(fù)制過(guò)程中的模板切換允許單個(gè)突變事件在DNA中為新的miRNA基因創(chuàng)建完美的結(jié)構(gòu)。這比可能發(fā)生的緩慢而漸進(jìn)的變化要有效得多單個(gè)構(gòu)建塊.

在靈長(zhǎng)類動(dòng)物的家譜中，發(fā)現(xiàn)了超過(guò)6000個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能在人類中產(chǎn)生了至少18個(gè)全新的miRNA基因。這是自靈長(zhǎng)類動(dòng)物首次出現(xiàn)以來(lái)被認(rèn)為出現(xiàn)的所有miRNA的26%。

像這樣的發(fā)現(xiàn)跨越了進(jìn)化線，指出了一種通用的miRNA基因創(chuàng)造機(jī)制，研究小組認(rèn)為這些結(jié)果也可以應(yīng)用于其他RNA基因和分子。

新的microRNA基因似乎相對(duì)容易出現(xiàn)，可能會(huì)影響人類健康。一些與TSM相關(guān)的miRNA已經(jīng)顯示出功能意義，如哈斯-米爾-576這會(huì)影響靈長(zhǎng)類動(dòng)物的抗病毒反應(yīng)。

“許多能夠成為miRNA基因的TSM變體在人群中分離，”作者寫，“表明TSM過(guò)程是活躍的，現(xiàn)在正在塑造我們的基因組。

該研究已發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊.

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