Бактерии создают свободные гены вне своего генома. А мы?
Новое исследование Колумбийского университета показывает, что бактерии нарушают фундаментальное правило: они могут создавать свободные и недолговечные гены, не закодированные в их основном геноме. Это открытие ставит под сомнение представление о хромосоме как о полном наборе инструкций для производства белков.
Работа опубликована в журнале Science. Ученые, комментировавшие препринт, назвали открытие «чужеродной биологией», «ошеломляющим» и «шокирующим».
Механизм «инопланетной» защиты
Исследователи под руководством Сэмюэля Стернберга и Стивена Танга изучали необычную бактериальную систему защиты от вирусов. Она включает молекулу РНК с неизвестной функцией и обратную транскриптазу — фермент, синтезирующий ДНК на основе РНК-шаблона.
Используя новый метод, Танг обнаружил, что эта обратная транскриптаза создает длинную повторяющуюся цепь ДНК. Оказалось, что часть РНК-молекулы складывается в петлю, и фермент многократно «обходит» ее, копируя один и тот же короткий фрагмент.
«Это как если бы вы хотели скопировать книгу, а ксерокс начал бесконечно печатать одну и ту же страницу», — говорит Стернберг.
Свободно плавающий и функциональный ген
Изначально ученые думали, что ДНК — это ошибка или бессмысленный продукт. Однако дальнейший анализ показал, что эта молекула ДНК является полностью функциональным, свободно плавающим и временным геном.
Кодируемый этим геном белок (названный исследователями Neo) — критически важная часть антивирусной защиты бактерии. Вирусная инфекция запускает производство Neo, который предотвращает репликацию вируса и заражение соседних клеток.
Возможны ли внехромосомные гены у людей?
Это открытие поднимает вопрос: существуют ли подобные свободные гены в клетках высших организмов, включая человека?
«Это было бы действительно революционное открытие, — говорит Стернберг. — Могут существовать гены или последовательности ДНК, которые не находятся ни в одной из 23 человеческих хромосом. Возможно, они создаются только в определенных условиях и при этом предоставляют критическую информацию, от которой зависит наша нормальная физиология».
Лаборатория уже использует методы Танга для поиска таких внехромосомных генов у человека, созданных обратными транскриптазами. В человеческом геноме существуют тысячи генов обратных транскриптаз с неизученными функциями.
Новый ресурс для редактирования генов
Открытие также имеет практическое значение для биотехнологий. Современные методы редактирования генов, такие как CRISPR, не идеальны. Новые техники, комбинирующие CRISPR с обратной транскриптазой, дают больше возможностей, но используют один и тот же старый фермент.
Обратная транскриптаза, создающая Neo, обладает свойствами, которые могут сделать ее лучшим инструментом для редактирования генома в лаборатории и создания новых генных терапий.
«Мы считаем, что у бактерий может быть целая сокровищница обратных транскриптаз, которые станут отличной отправной точкой для новых технологий, как только мы поймем, как они работают», — заключает Стернберг.