Автор: Редакция
С тех пор как в 1960-х годах был впервые расшифрован генетический код, наши гены стали казаться открытой книгой. Читая и расшифровывая наши хромосомы как линейные строки букв, как предложения в романе, мы можем определить гены в нашем геноме и узнать, почему изменения в коде гена влияют на здоровье.
Считалось, что это линейное правило управляет всеми формами жизни — от человека до бактерий.
Однако новое исследование, проведенное учеными Колумбийского университета, показывает, что бактерии нарушают это правило и могут создавать свободно плавающие и эфемерные гены, повышая вероятность того, что подобные гены существуют за пределами нашего собственного генома.
Статья «De novo gene synthesis by an antiviral reverse transcriptase» Сэмюэля Стернберга, Стивена Танга и других коллег из Колумбийского университета была опубликована 8 августа в журнале Science. Лаборатория Марко Йовановича на факультете биологических наук и лаборатория Люка Берчовица на факультете генетики и развития внесли ключевые идеи и вклад.
«Это открытие перевернуло представление о том, что хромосома содержит полный набор инструкций, которые клетки используют для производства белков», — говорит Самуэль Стернберг, доцент кафедры биохимии и молекулярной биологии Колледжа врачей и хирургов им. Вагелоса, который руководил исследованием вместе со Стивеном Тангом.
«Теперь мы знаем, что, по крайней мере, у бактерий могут быть другие инструкции, не сохраненные в геноме, которые, тем не менее, необходимы для выживания клеток».
«Удивительная инопланетная биология»
Научная реакция уже стала новостью несколько месяцев назад, когда статья впервые появилась в виде препринта. В статье, опубликованной в журнале Nature News ученые назвали открытие «инопланетной биологией», «поразительным» и «шокирующим».
«Оно неоднократно повергало нас в восторг» — говорит Танг, — «мы переходили от сомнений к изумлению по мере того, как механизм постепенно прояснялся».
Бактерии и их вирусы уже много веков находятся в состоянии борьбы: вирусы пытаются внедрить свою ДНК в геном бактерий, а бактерии придумывают хитроумные методы (например, CRISPR), чтобы защитить себя. Многие защитные механизмы бактерий остаются неизученными, но могут привести к появлению новых инструментов редактирования генома.
Бактериальная система защиты, которую выбрали для исследования Стернберг и Танг, очень странная: она включает в себя кусок РНК с неизвестной функцией и обратную транскриптазу — фермент, который синтезирует ДНК из шаблона РНК. Наиболее распространенные защитные системы бактерий разрезают или разрушают поступающую вирусную ДНК, «поэтому мы были озадачены идеей защиты генома путем синтеза ДНК», — говорит Танг.
Свободно плавающие гены
Чтобы узнать, как работает эта странная защита, Танг сначала создал новый метод идентификации ДНК, производимой обратной транскриптазой. ДНК, которую он обнаружил, была длинной, но повторяющейся, содержащей несколько копий короткой последовательности в молекуле РНК защитной системы.
Затем он понял, что эта часть молекулы РНК складывается в петлю, и обратная транскриптаза много раз проходит вокруг этой петли, создавая повторяющуюся ДНК. «Это похоже на то, как если бы вы собирались сделать ксерокопию книги, но копировальный аппарат просто начал выдавать одну и ту же страницу снова и снова», — говорит Стернберг.
Изначально исследователи подумали, что в их экспериментах что-то не так, или что фермент совершает ошибку, и созданная им ДНК не имеет смысла.
«Тогда Стивен провел гениальные разработки и обнаружил, что молекула ДНК — это полностью функционирующий, свободно плавающий, переходный ген» — говорит Стернберг.
Белок, кодируемый этим геном, как выяснили исследователи, является критической частью системы противовирусной защиты бактерий. Вирусная инфекция вызывает выработку белка (исследователи назвали его Neo), который не позволяет вирусу реплицироваться и заражать соседние клетки.
Внехромосомные гены у людей?
Если подобные гены будут обнаружены в клетках высших организмов, «это будет поистине революционным открытием», — говорит Стернберг. «Возможно, существуют гены или последовательности ДНК, которые не входят ни в одну из 23 хромосом человека. Возможно, они образуются только в определенной среде, в определенных условиях развития или генетических контекстах, но при этом предоставляют важную информацию о кодировании, на которую мы полагаемся в своей нормальной физиологии».
Сейчас лаборатория использует методы Танга для поиска внехромосомных генов человека, производимых обратными транскриптазами.
Тысячи генов обратной транскриптазы существуют в геноме человека, и многие из них имеют еще не раскрытые функции. «Предстоит заполнить значительный пробел, который может привести к новым интересным биологическим открытиям» — говорит Стернберг.
Источник редактирования генов
Хотя генная терапия с использованием CRISPR-редактирования уже проходит клинические испытания (а одна из них была одобрена в прошлом году для лечения серповидноклеточной анемии), CRISPR не является идеальной технологией.
Новые методы, сочетающие CRISPR с обратной транскриптазой, дают геномным инженерам больше возможностей. «Обратная транскриптаза дает возможность вписывать новую информацию в те места, которые CRISPR вырезает, чего не может сделать только CRISPR, — говорит Танг, — но все используют одну и ту же обратную транскриптазу, которая была открыта несколько десятилетий назад».
Обратная транскриптаза, создающая Neo, обладает определенными свойствами, которые могут сделать ее лучшим вариантом для редактирования генома в лаборатории и для создания новых генных терапий. В бактериях существуют и более загадочные обратные транскриптазы, которые еще предстоит исследовать.
«Мы думаем, что бактерии могут быть сокровищницей обратных транскриптаз, которые могут стать удобными отправными точками для новых технологий, когда мы поймем, как они работают» — говорит Стернберг.
Оригинал: Columbia
