Para ilmuwan menguraikan aturan DNA misterius yang tersembunyi di seluruh spesies

Sebuah studi baru mengungkapkan bahwa ragi pada jamur uniseluler bersifat “acak”. DNA“Aktif secara alami, sedangkan pada sel mamalia, DNA ini dimatikan sebagai keadaan alaminya pada sel mamalia, meskipun memiliki nenek moyang yang sama satu miliar tahun yang lalu dan mesin molekuler dasar yang sama.

Penemuan baru ini berkisar pada proses dimana instruksi genetik DNA pertama kali diubah menjadi zat terkait yang disebut… RNA Dan kemudian ke protein yang membentuk struktur dan sinyal tubuh. Pada ragi, tikus dan manusia, langkah pertama dalam ekspresi gen, transkripsi, terjadi di mana “huruf” molekuler DNA (nukleobase) dibaca dalam satu arah. Meskipun 80% genom manusia—seluruh kumpulan DNA dalam sel kita—secara efektif diterjemahkan menjadi RNA, kurang dari 2% di antaranya benar-benar mengkode gen yang mengarahkan pembentukan protein.

Misteri lama dalam genomik adalah apa yang dicapai oleh semua transkripsi yang tidak terkait dengan gen ini. Apakah hanya kebisingan, efek samping evolusi, atau memang ada fungsinya?

Sebuah tim peneliti di NYU Langone Health berusaha menjawab pertanyaan ini dengan menciptakan gen sintetis berukuran besar, dengan kode DNA dalam urutan terbalik dari induk aslinya. Mereka kemudian memasukkan gen sintetis ke dalam sel induk ragi dan tikus, dan memantau tingkat transkrip di masing-masing sel tersebut. Diterbitkan di majalah alam, Studi baru ini mengungkapkan bahwa pada ragi, sistem genetik diatur sehingga hampir semua gen terus ditranskripsi, sedangkan pada sel mamalia, “keadaan default” yang sama adalah mematikan transkripsi.

Metodologi dan hasil

Menariknya, kata penulis penelitian, urutan kode terbalik berarti bahwa semua mekanisme yang berevolusi dalam sel ragi dan mamalia untuk menghidupkan atau mematikan transkripsi tidak ada karena kode sebaliknya tidak masuk akal. Namun, seperti bayangan cermin, kode yang dibalik mencerminkan beberapa pola dasar yang muncul dalam kode alami dalam hal seberapa sering huruf DNA muncul, kedekatannya, dan seberapa sering pengulangannya. Karena kode kebalikannya terdiri dari 100.000 huruf molekuler, tim menemukan bahwa kode tersebut secara acak memasukkan banyak bagian kecil dari kode yang sebelumnya tidak diketahui yang kemungkinan besar memulai transkripsi lebih sering pada ragi, dan menghentikannya pada sel mamalia.

“Memahami perbedaan versi virtual Menggolongkan “Genetika akan membantu kita lebih memahami bagian mana dari kode genetik yang memiliki fungsi, dan apa yang dimaksud dengan kecelakaan evolusi,” kata penulis koresponden Jeff Buckey, Ph.D., direktur Institut Genetika di NYU Langone Health. “Hal ini, pada gilirannya, akan memandu rekayasa ragi untuk membuat obat baru, menciptakan terapi gen baru, atau bahkan membantu kita menemukan gen baru yang terkubur dalam kode yang sangat besar.”

Penelitian ini memperkuat teori bahwa keadaan transkripsi ragi yang sangat aktif telah diatur sedemikian rupa sehingga DNA asing jarang disuntikkan ke dalam ragi, misalnya dengan virus Karena ia menggandakan dirinya sendiri, kemungkinan besar ia akan ditranskripsi menjadi RNA. Jika RNA ini membangun protein dengan fungsi yang berguna, kode tersebut akan dipertahankan melalui evolusi sebagai gen baru. Berbeda dengan organisme bersel tunggal dalam ragi, yang mampu menghasilkan gen baru yang berisiko dan mendorong evolusi lebih cepat, sel mamalia, sebagai bagian dari tubuh yang mengandung jutaan sel yang bekerja sama, kurang bebas untuk memasukkan DNA baru setiap kali sel tersebut bertemu dengan virus. . Beberapa mekanisme regulasi melindungi kode etik yang seimbang sebagaimana adanya.

DNA besar

Studi baru ini harus memperhitungkan ukuran untaian DNA, karena terdapat 3 miliar “huruf” dalam genom manusia, dan beberapa gen memiliki panjang 2 juta huruf. Meskipun teknik populer memungkinkan perubahan dilakukan huruf demi huruf, beberapa tugas teknik akan lebih efisien jika peneliti membangun DNA dari awal, membuat perubahan luas pada sejumlah besar kode yang telah dikompilasi sebelumnya dan menggantinya di dalam sel daripada di bagian aslinya. Karena gen manusia sangat kompleks, laboratorium Bucky pertama kali mengembangkan pendekatan “penulisan genom” pada ragi, namun baru-baru ini mengadaptasinya ke kode genetik mamalia. Penulis penelitian menggunakan sel ragi untuk merakit rangkaian panjang DNA dalam satu langkah, kemudian mengirimkannya ke sel induk embrio tikus.

Untuk penelitian saat ini, tim peneliti menjawab pertanyaan tentang sejauh mana penyebaran transkripsional di seluruh evolusi dengan memperkenalkan rangkaian DNA rekayasa sintetis sepanjang 101 kilobase—gen hipoksantin fosforibosiltransferase 1 (HPRT1) manusia dalam urutan pengkodean terbalik. Mereka mengamati aktivitas gen yang meluas dalam ragi meskipun tidak ada kode yang tidak masuk akal untuk promotor, yaitu potongan DNA yang telah berevolusi untuk menandakan dimulainya transkripsi.

Lebih lanjut, tim mengidentifikasi rangkaian kecil dalam kode terbalik, rangkaian berulang dari blok pembangun adenosin dan timin, yang diketahui dikenali oleh faktor transkripsi, yaitu protein yang mengikat DNA untuk memulai transkripsi. Urutan seperti itu, yang panjangnya hanya 5 hingga 15 huruf, dapat dengan mudah terjadi secara acak, dan sebagian dapat menjelaskan keadaan default ragi yang sangat aktif, kata para penulis.

Sebaliknya, simbol terbalik yang sama, Dimasukkan ke dalam genom sel induk embrio tikus, tidak menyebabkan transkripsi ekstensif. Dalam skenario ini, transkripsi ditekan meskipun dinukleotida CpG tingkat lanjut, yang diketahui menghentikan (membungkam) gen, tidak efektif dalam kode sebaliknya. Tim percaya bahwa elemen penting lainnya dalam genom mamalia mungkin lebih membatasi transkripsi dibandingkan ragi, mungkin dengan secara langsung merekrut kompleks protein (kompleks multi-CD) yang dikenal untuk pembungkaman gen.

“Semakin dekat kita memperkenalkan 'nilai genom' DNA yang tidak masuk akal ke dalam sel hidup, semakin baik mereka dapat membandingkannya dengan genom aktual yang sedang berevolusi,” kata penulis pertama Brendan Camillato, seorang mahasiswa pascasarjana di laboratorium Buckey. “Hal ini mungkin membawa kita ke batas baru dalam terapi sel rekayasa, karena kemampuan untuk memasukkan DNA sintetik yang lebih panjang memungkinkan pemahaman yang lebih baik tentang apa yang akan ditoleransi oleh genom yang disisipkan, dan kemungkinan masuknya satu atau lebih gen yang lebih besar dan sepenuhnya direkayasa. ”

Referensi: “Urutan sintetik terbalik mengungkapkan keadaan genom yang diduga” oleh Brendan R. Camellato, Ran Brosh, dan Hannah J. Ash, dan Matthew T. Morano, dan Jeff D. Bucky, 6 Maret 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-024-07128-2