Odkryto nowy mechanizm modyfikacji DNA

Odkryto nowy system modyfikacji DNA. Wcześniej widziano go tylko u bakterii

Naukowcy z Uniwersytetu Chicagowskiego odkryli nieznany wcześniej system modyfikacji DNA u zwierząt. Do tej pory wydawało się, że występuje on tylko u bakterii.

Nasze DNA zawiera schemat budowy naszego ciała, ale jest „żywym” dokumentem – można go modyfikować poprzez różne znaki epigenetyczne. Ich skatalogowanie i uszeregowanie jest ważne dla zrozumienia genetyki, a także dla opracowania metod leczenia różnych chorób. U eukariontów (w tym ludzi) znane są dwa główne znaczniki epigenetyczne. Jednak naukowcy z Uniwersytetu Chicagowskiego odkryli trzeci – znany wcześniej tylko u małych zwierząt słodkowodnych zwanych wrotkami. To zaskakujące odkrycie opisano w Nature Communications.

Już w 2008 roku odkryliśmy, że wrotki z klasy Bdelloidea bardzo dobrze wychwytują obce geny. Odkryliśmy tu, że około 60 milionów lat temu wrotki przypadkowo przechwyciły gen bakterii, który pozwolił im wprowadzić nowy znak epigenetyczny, którego wcześniej nie było.

Irina Arkhipova z Uniwersytetu Chicagowskiego

Czym są znaki epigenetyczne?

Znaki epigenetyczne to modyfikacje zasad azotowych DNA, które nie zmieniają podstawowego kodu genetycznego, ale „zapisują” dodatkowe informacje, które mogą być dziedziczone z genomem. Znaki epigenetyczne zazwyczaj regulują ekspresję genów poprzez ich włączanie lub wyłączanie, zwłaszcza we wczesnym okresie rozwoju lub w sytuacjach stresowych. Mogą one również hamować transpozony, czyli „skaczące geny”, które mogą zagrażać integralności genomu.

Czytaj też: DNA jako nośnik danych coraz bliżej. Naukowcy dodali siedem dodatkowych liter do molekularnego alfabetu

Teraz odkryto, że gen przeniesiony horyzontalnie – nabyty od innego organizmu nie w drodze rozmnażania płciowego – może zmienić system regulacji genów u eukariontów.

Jest to bardzo niezwykłe i nie było wcześniej opisywane. Uważa się, że geny przenoszone horyzontalnie są przede wszystkim genami operacyjnymi, a nie regulatorowymi. Trudno sobie wyobrazić, w jaki sposób pojedynczy, horyzontalnie przeniesiony gen mógłby utworzyć nowy system regulacyjny, ponieważ istniejące systemy regulacyjne są już bardzo skomplikowane.

Irina Arkhipova z Uniwersytetu Chicagowskiego

Druga autorka badań – Irina Yushenova – wyjaśniła, jak proces ten miałby przebiegać:

Spróbujcie sobie wyobrazić, że gdzieś w przeszłości doszło do połączenia fragmentu bakteryjnego DNA z fragmentem eukariotycznego DNA. Oba zostały połączone w genomie rotifera i utworzyły funkcjonalny enzym. Nie jest to łatwe do wykonania, nawet w laboratorium, ale stało się to w sposób naturalny. Następnie ten złożony enzym stworzył niesamowity system regulacyjny, który wrotki mogły wykorzystać do kontrolowania wszystkich tych skaczących transpozonów. To jest jak magia.

Transpozony to termin określający geny, które przemieszczają się z jednego miejsca do drugiego wewnątrz genomu i mogą zmieniać kod genetyczny na lepsze lub gorsze, dlatego utrzymanie ich w ryzach jest bardzo ważne.

Zwłaszcza wrotki muszą utrzymywać swoje transpozony w ryzach, ponieważ rozmnażają się głównie bezpłciowo. Linie bezpłciowe mają mniej środków do tłumienia proliferacji szkodliwych transpozonów, więc dodanie dodatkowej warstwy ochronnej mogłoby zapobiec mutacyjnej katastrofie. Rzeczywiście, zawartość transpozonów jest znacznie niższa u wrotków niż u eukariontów płciowych, które nie mają tej dodatkowej warstwy epigenetycznej w swoim systemie obrony genomu.

Irina Arkhipova z Uniwersytetu Chicagowskiego

W dwóch znanych znakach epigenetycznych u eukariotów, grupa metylowa jest dodawana do zasady DNA: cytozyny lub adeniny. Nowo odkryty przez zespół znak jest również modyfikacją cytozyny, ale z wyraźnym bakteryjnym umiejscowieniem grupy metylowej – co w istocie odtwarza wydarzenia ewolucyjne sprzed ponad dwóch miliardów lat, kiedy to pojawiły się konwencjonalne znaki epigenetyczne u wczesnych eukariontów.

Wrotki są niezwykle wytrzymałymi zwierzętami. Potrafią całkowicie wyschnąć na wiele tygodni lub miesięcy, a następnie wrócić do życia, gdy tylko pojawi się woda. Podczas fazy wysychania ich DNA rozpada się na wiele kawałków.