Wie bei seinen viralen Cousins wurde festgestellt, dass eine etwas parasitäre DNA-Sequenz namens Retrotransposon die zelleigene Maschinerie nutzt, um ihre Ziele zu erreichen.
In einem neuen Werk, das am Mittwoch online in der Zeitschrift erscheint Naturhat ein Team der Duke University herausgefunden, dass Retrotransposons einen wenig bekannten Teil der DNA-Reparaturfunktion der Zelle kapern, um sich in eine ringartige Form zu schließen und dann einen passenden Doppelstrang zu erzeugen.
Der Befund stellt die 40 Jahre alte gängige Meinung auf den Kopf, dass diese Ringe nur ein nutzloses Nebenprodukt fehlerhafter Genkopien seien. Es könnte auch neue Erkenntnisse über Krebs, Virusinfektionen und Immunreaktionen liefern.
Retrotransposons sind etwa 7.000 Buchstaben lange DNA-Segmente, die sich kopieren und in verschiedene Teile des Genoms von Pflanzen und Tieren einfügen. Auf diese Weise spielen sie eine Rolle beim Umschreiben der DNA und bei der Regulierung der Art und Weise, wie die Zelle ihre Gene nutzt. Man geht davon aus, dass Retrotransposons für viele Variationen und Innovationen in den Genen verantwortlich sind, die die Evolution vorantreiben, und dass sie von beiden Elternteilen vererbt werden.
Viele Studien deuten darauf hin, dass diese DNA-Ringe außerhalb der Chromosomen irgendwie an der Entstehung und dem Fortschreiten von Krebs beteiligt sind, teilweise weil sie bekanntermaßen krebstreibende Onkogene in ihren DNA-Sequenzen beherbergen. Es ist auch bekannt, dass das Retrovirus HIV, das AIDS verursacht, zirkuläre DNA bildet.
„Ich denke, diese Elemente sind die Quelle der Genomdynamik, für die Tierentwicklung und sogar für die Auswirkung auf unser tägliches Leben“, sagte Zhao Zhang (ZZ), Assistenzprofessor für Pharmakologie und Krebsbiologie und Duke Science & Technology-Stipendiat. „Aber wir sind noch dabei, ihre Funktion zu würdigen.“
Retrotransposons sind recht häufig – sie machen etwa 40 % des menschlichen Genoms und mehr als 75 % des Maisgenoms aus – aber wie und wo sie sich selbst kopieren, war schon immer etwas unklar.
Zhang hält ein dickes Lehrbuch über Retroviren hoch, das er für diese Studie herangezogen hat. In den Büchern heißt es, dass die ringförmigen Sequenzen „durch die Rekombination der beiden Enden der linearen DNA entstehen und nur eine Sackgasse sind, ein Nebenprodukt einer fehlgeschlagenen Replikation“, sagte er.
Bei früheren Arbeiten mit Fruchtfliegeneiern hatte Zhangs Team herausgefunden, dass vererbte Retrotransposons die „Ammenzellen“, die das Ei unterstützen, als Fabriken nutzen, um viele Kopien von sich selbst herzustellen, die dann im gesamten Genom im sich entwickelnden Ei der Fliege verteilt werden. Dieses Modellsystem ermöglichte es den Forschern, noch weiter hineinzuzoomen, um mehr über Retrotransposons zu erfahren.
In der neuesten Arbeit stellten sie unerwartet fest, dass die meisten neu hinzugefügten Retrotransposons in dieser kreisförmigen Form vorlagen und nicht in das Genom des Wirts integriert waren. Anschließend führten sie eine Reihe von Experimenten durch, bei denen die DNA-Reparaturmechanismen der Zelle nacheinander ausgeschaltet wurden, um herauszufinden, wie und wo die Kreise gebildet werden.
Die Antwort: Ein wenig erforschter DNA-Reparaturmechanismus namens Alternative End-Joining DNA Repair, kurz Alt-EJ, der Doppelstrangbrüche repariert. Die Retrotransposonsequenzen nutzten diesen Teil der Reparaturmaschinerie des Wirts, um die Enden ihrer einzelsträngigen DNA zusammenzunähen, und nutzten dann seine DNA-Synthase, um einen passenden Doppelstrang zu erzeugen. Darüber hinaus bestätigten die Forscher, dass dies auch in menschlichen Zellen der Fall ist.
Retrotransposons sind also kein schlampiger Zufall; Sie kapern tatsächlich einen kleinen Teil der Zellmaschinerie, um mehr von sich selbst zu produzieren, genau wie Viren es tun.
„Unsere Entdeckung stellt tatsächlich das Lehrbuchmodell auf den Kopf“, sagte Zhang. „Wir haben gezeigt, dass das im Lehrbuch vorgeschlagene Rekombinationsereignis für die Ringbildung nicht wichtig ist“, sagte Zhang. „Stattdessen ist es der Alt-EJ-Pfad, der die Kreisproduktion antreibt.“
„Mein Labor versucht derzeit zu testen, ob zirkuläre DNA ein Zwischenprodukt für neue Genomeinfügungen sein kann“, sagte Zhang. „Wir testen auch, ob zirkuläre DNA von unserem Immunsystem erkannt werden kann, um eine Immunantwort auszulösen.“
„Im retroviralen Bereich und Retrotransposon-Bereich denken die Leute, dass zirkuläre DNA nur ein untergeordnetes Ereignis ist, aber unsere Studie rückt zirkuläre DNA in den Mittelpunkt“, sagte Zhang. „Die Menschen sollten der zirkulären DNA mehr Aufmerksamkeit schenken.“
Mehr Informationen:
Fu Yang et al., Retrotransposons kapern alt-EJ für DNA-Replikation und eccDNA-Biogenese, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06327-7