生物體的復(fù)雜性是由它們的基因編碼的，但是這些基因是從哪里來(lái)的呢?赫爾辛基大學(xué)的研究人員解決了圍繞小調(diào)控基因起源的懸而未決的問題，并描述了一種產(chǎn)生DNA回文的機(jī)制。在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，這些回文演變成microRNA基因。
人類基因組包含大約20,000個(gè)用于構(gòu)建蛋白質(zhì)的基因。這些經(jīng)典基因的作用是由數(shù)千個(gè)調(diào)控基因協(xié)調(diào)的，其中最小的調(diào)控基因編碼的microRNA分子長(zhǎng)度為22個(gè)堿基對(duì)。雖然基因的數(shù)量保持相對(duì)恒定，但在進(jìn)化過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)新的基因。與生物生命的起源類似，新基因的起源一直讓科學(xué)家們著迷。
所有RNA分子都需要堿基的回文排列，以將分子鎖定在其功能構(gòu)象中。重要的是，隨機(jī)堿基突變逐漸形成這種回文序列的可能性非常小，即使對(duì)于簡(jiǎn)單的microRNA基因也是如此。因此，這些回文序列的起源一直困擾著研究人員。芬蘭赫爾辛基大學(xué)生物技術(shù)研究所的專家們解開了這個(gè)謎團(tuán)，他們描述了一種機(jī)制，可以瞬間產(chǎn)生完整的DNA回文，從而從先前的非編碼DNA序列中產(chǎn)生新的microRNA基因。
在芬蘭科學(xué)院資助的一個(gè)項(xiàng)目中，研究人員研究了DNA復(fù)制中的錯(cuò)誤。
“DNA一次復(fù)制一個(gè)堿基，通常突變是錯(cuò)誤的單個(gè)堿基，就像筆記本電腦鍵盤上的錯(cuò)誤按鍵一樣。我們研究了一種產(chǎn)生更大錯(cuò)誤的機(jī)制，比如從另一個(gè)上下文中復(fù)制粘貼文本。我們對(duì)反向復(fù)制文本的情況特別感興趣，這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回文。”
研究人員認(rèn)識(shí)到，DNA復(fù)制錯(cuò)誤有時(shí)可能是有益的。他們向RNA生物學(xué)專家Mikko Frilander描述了這些發(fā)現(xiàn)。他立即發(fā)現(xiàn)了與RNA分子結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。
在RNA分子中，相鄰回文的堿基可以配對(duì)并形成類似發(fā)夾的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)RNA分子的功能至關(guān)重要，”他解釋說(shuō)。
研究人員決定把重點(diǎn)放在microRNA基因上，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單:這些基因非常短——只有幾十個(gè)堿基——它們必須折疊成發(fā)夾結(jié)構(gòu)才能正常工作。
一個(gè)核心的見解是使用定制的計(jì)算機(jī)算法對(duì)基因歷史進(jìn)行建模。根據(jù)博士后研究員Heli Mönttinen的說(shuō)法，這使得迄今為止最接近基因起源的檢查成為可能。
“數(shù)十種靈長(zhǎng)類動(dòng)物和哺乳動(dòng)物的全基因組是已知的。通過(guò)對(duì)它們的基因組進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)哪些物種有microRNA回文對(duì)，哪些物種沒有。通過(guò)對(duì)歷史的詳細(xì)建模，我們可以看到整個(gè)回文都是由單個(gè)突變事件產(chǎn)生的，”Mönttinen說(shuō)。
通過(guò)關(guān)注人類和其他靈長(zhǎng)類動(dòng)物，赫爾辛基的研究人員證明，新發(fā)現(xiàn)的機(jī)制可以解釋至少四分之一的新型microRNA基因。由于在其他進(jìn)化譜系中也發(fā)現(xiàn)了類似的情況，因此起源機(jī)制似乎具有普遍性。
原則上，microRNA基因的興起是如此容易，以至于新基因可能會(huì)影響人類健康。Heli Mönttinen從更廣泛的角度看待這項(xiàng)工作的意義，例如在理解生物生命的基本原理方面。
“從無(wú)到有的新基因的出現(xiàn)讓研究人員著迷。我們現(xiàn)在有了RNA基因進(jìn)化的優(yōu)雅模型，”她強(qiáng)調(diào)說(shuō)。
盡管研究結(jié)果是基于小的調(diào)控基因，但研究人員認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)可以推廣到其他RNA基因和分子。例如，通過(guò)使用由新發(fā)現(xiàn)的機(jī)制產(chǎn)生的原料，自然選擇可能會(huì)創(chuàng)造出更復(fù)雜的RNA結(jié)構(gòu)和功能。
這項(xiàng)研究發(fā)表在《PNAS》上。
Generation of de novo miRNAs from template switching during DNA replication
（文章來(lái)源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-12） | 
