科學(xué)家揭示了一種我們的DNA可以從頭開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)按鈕來制造新的基因，以快速適應(yīng)我們不斷變化的環(huán)境。

在對DNA復(fù)制錯誤的調(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)存在了很長時間，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一些動物群體中，如靈長類動物，全新的miRNA基因突然出現(xiàn).

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

“我們現(xiàn)在有一個優(yōu)雅的RNA基因進(jìn)化模型。

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

“DNA一次復(fù)制一個堿基，通常突變是錯誤的單一堿基，就像筆記本電腦鍵盤上的打錯一樣。說項目負(fù)責(zé)人兼生物信息學(xué)家Ari L?ytynoja。

“我們研究了一種產(chǎn)生更大錯誤的機(jī)制，比如從另一個上下文復(fù)制粘貼文本。我們對向后復(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)隊選擇專注于microRNA基因，這些基因非常短，由大約22個基因組成堿基對.

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

科學(xué)家們一直對這些回文序列的來源感到困惑。事實證明，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并形成類似于發(fā)夾的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對RNA分子的功能至關(guān)重要。說生物技術(shù)專家Mikko Frilander。

許多靈長類動物和哺乳動物的完整基因組已經(jīng)繪制出來。通過使用自定義計算機(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。

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

下圖很好地說明了該過程。當(dāng)DNA復(fù)制開始通過其配方列表中的每個堿基對時，當(dāng)它遇到突變或有缺陷的堿基對時，它就會停止。

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

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

DNA復(fù)制過程中的模板切換允許單個突變事件在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構(gòu)建塊.

在靈長類動物的家譜中，發(fā)現(xiàn)了超過6000個這樣的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可能在人類中產(chǎn)生了至少18個全新的miRNA基因。這是自靈長類動物首次出現(xiàn)以來被認(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基因似乎相對容易出現(xiàn)，可能會影響人類健康。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這會影響靈長類動物的抗病毒反應(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)表在美國國家科學(xué)院院刊.

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