Complexitatea organismelor vii este codificată în propriile genele, dar de unde provin aceste gene? Oamenii de ştiinţă au descoperit acum modul în care ADN-ul uman poate folosi un comutator genetic de accelerare pentru a crea noi gene ca o adaptare rapidă la mediile în continuă schimbare.
Genomul uman conţine aproximativ 20.000 de gene care sunt utilizate pentru construirea proteinelor.
Acţiunile acestor gene clasice sunt coordonate de mii de gene reglatoare, dintre care cele mai mici codifică molecule de microARN (miARN) care au o lungime de 22 de perechi de baze.
În timp ce numărul de gene rămâne relativ constant, ocazional, în cursul evoluţiei apar noi gene. Similar genezei vieţii biologice, originea noilor gene a continuat să fascineze oamenii de ştiinţă.
În timpul unei cercetări privind erorile de replicare a ADN-ului, o echipă de la Universitatea Helsinki din Finlanda a descoperit că anumite mutaţii unice produc şiruri genetice de tip palindrom, care se citesc la fel înainte şi înapoi.
În circumstanţele potrivite, acestea pot evolua în gene microARN (miARN).
Aceste gene mici şi simple joacă un rol important în reglarea altor gene.
Multe gene miARN au existat de mult timp în istoria evoluţiei, dar oamenii de ştiinţă au descoperit că în unele grupuri de animale, cum ar fi primatele, apar brusc gene miARN nou-nouţe.
„Apariţia unor gene noi din nimic a fascinat cercetătorii", a declarat într-un comunicat al universităţii, bioinformaticianul Heli Mönttinen, primul autor al noului studiu.
„Avem acum un model modern pentru evoluţia genelor ARN".
Erorile care permit această metodă remarcabil de eficientă de creare a genelor se numesc mutaţii de schimbare a şablonului (TSM).
Procesul de creare a miARN asociat TSM este mult mai rapid decât modul în care evoluează noile proteine funcţionale.
„ADN-ul este copiat câte o bază odată şi, de obicei, mutaţiile sunt baze unice eronate, ca nişte greşeli de tastatură pe un laptop", explică liderul proiectului şi bioinformaticianul Ari Löytynoja.
„Noi am studiat un mecanism care creează erori mai mari, ca şi cum am copia textul dintr-un alt context. Am fost interesaţi în special de cazurile care copiază textul invers, astfel încât să creeze un palindrom".
Toate moleculele de ARN au nevoie de seturi repetate de baze care blochează molecula în forma sa de lucru.
Echipa a ales să se concentreze pe genele microARN, care sunt extrem de scurte, constând în aproximativ 22 de perechi de baze.
Dar chiar şi în cazul genelor de tip microARN simplu, şansele ca mutaţiile aleatorii de baze să formeze lent aceste tipuri de palindromuri sunt foarte mici.
Oamenii de ştiinţă au fost nedumeriţi de unde au apărut aceste secvenţe palindromice.
Se pare că aceste mutaţii de schimbare de şablon pot produce rapid palindromuri complete de ADN, creând noi gene de microARN din secvenţe de ADN necodificatoare anterior.
„Într-o moleculă de ARN, bazele palindroamelor adiacente se pot împerechea şi pot forma structuri asemănătoare cu un ac de păr. Astfel de structuri sunt cruciale pentru funcţia moleculelor de ARN", explică biotehnologul Mikko Frilander în comunicat.
Genomul complet al multor primate şi mamifere a fost deja cartografiat. Comparând aceste genomuri cu ajutorul unui algoritm computerizat personalizat, cercetătorii au reuşit să afle ce specii au perechea de microARN de tip palindrom.
„Cu o modelare detaliată a istoricului evoluţiei, am putut vedea că palindromurile întregi sunt create de evenimente de mutaţie unică", explică Mönttinen.
Diagrama de mai jos ilustrează foarte bine procesul. Pe măsură ce replicarea ADN-ului începe să parcurgă fiecare pereche de baze de pe lista sa de reţete, se opreşte atunci când întâlneşte o mutaţie sau o pereche de baze defectuoasă.
Structuri ADN în ac de păr. Unele erori de replicare a ADN-ului creează palindromi care se pot plia în structuri în formă de ac de păr. Credit: Ari Löytynoja
Replicarea sare apoi la şablonul adiacent şi începe să reproducă acele instrucţiuni, dar invers.
Când replicarea se întoarce la şablonul original, se creează un mic palindrom care se poate împerechea cu el însuşi într-o structură în ac de păr.
Schimbarea şablonului în timpul replicării ADN-ului permite ca un singur eveniment de mutaţie să creeze structura perfectă în ADN pentru o nouă genă de miARN. Acest lucru este mult mai eficient decât schimbările lente şi treptate care pot avea loc cu blocuri moleculare de construcţie individuale.
În arborele genealogic al primatelor, au fost găsite peste 6.000 de astfel de structuri, care ar fi putut da naştere la cel puţin 18 gene miARN nou-nouţe la om.
Asta reprezintă 26% din toate secvenţele miARN despre care se crede că au apărut de când există primatele.
Descoperirile de acest gen, care acoperă liniile evolutive, indică un mecanism universal de creare a genelor miARN, iar echipa crede că rezultatele pot fi aplicate şi la alte gene şi molecule de ARN.
Se pare că este relativ uşor să apară noi gene microARN care ar putea avea un impact potenţial asupra sănătăţii umane.
Unele secvenţe miARN asociate cu TSM au demonstrat deja o importanţă funcţională, cum ar fi hsa-mir-576, care influenţează răspunsul antiviral la primate.
„Multe variante TSM capabile să devină gene miARN segregă în rândul populaţiilor umane", scriu autorii, „ceea ce indică faptul că procesul TSM este activ şi ne modelează genomurile chiar şi în acest moment".
Studiul a fost publicat recent în revista Proceedings of the National Academy of Sciences-PNAS.
