Studie entdeckt Zellaktivität, die darauf hindeutet, dass Recycling in unserer DNA vorhanden ist

Auch wenn Sie sie vielleicht nicht zu schätzen wissen oder noch nicht einmal davon gehört haben, sind in Ihrem Körper unzählige mikroskopisch kleine Maschinen, sogenannte Spleißosomen, fleißig am Werk. Während Sie sitzen und lesen, setzen sie die fehlerhaften Informationen in Ihren Genen zuverlässig und schnell wieder zusammen, indem sie „Introns“ genannte Sequenzen entfernen, damit Ihre Boten-RNAs die richtigen Proteine ​​herstellen können, die Ihre Zellen benötigen.

Introns sind vielleicht eines der größten Geheimnisse unseres Genoms. Dabei handelt es sich um DNA-Sequenzen, die die sensiblen proteinkodierenden Informationen in Ihren Genen unterbrechen und „herausgespleißt“ werden müssen. Das menschliche Genom verfügt über Hunderttausende Introns, etwa 7 oder 8 pro Gen, und jedes wird durch einen speziellen RNA-Proteinkomplex namens „Spleißosom“ entfernt, der alle Introns herausschneidet und die verbleibenden kodierenden Sequenzen, sogenannte Exons, zusammenfügt. Wie sich dieses System aus defekten Genen und dem Spleißosom in unseren Genomen entwickelte, ist nicht bekannt.

Manny Ares, angesehener Professor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie an der UC Santa Cruz, hat es sich im Laufe seiner langen Karriere zur Aufgabe gemacht, so viel wie möglich über das RNA-Spleißen zu lernen.

„Bei mir dreht sich alles um das Spleißosom“, sagte Ares. „Ich möchte einfach alles wissen, was das Spleißosom tut – auch wenn ich nicht weiß, warum es es tut.“

In einem neues Papier in der Zeitschrift veröffentlicht Gene und EntwicklungAres berichtet über eine überraschende Entdeckung über das Spleißosom, die uns mehr über die Evolution verschiedener Arten und die Art und Weise verraten könnte, wie sich Zellen an das seltsame Problem der Introns angepasst haben. Die Autoren zeigen, dass das Spleißosom, nachdem es die mRNA gespleißt hat, aktiv bleibt und weitere Reaktionen mit den entfernten Introns eingehen kann.

Diese Entdeckung liefert den stärksten Hinweis, den wir bisher haben, dass Spleißosomen in der Lage sein könnten, ein Intron an einer anderen Stelle wieder in das Genom einzufügen. Dabei handelt es sich um eine Fähigkeit, von der man bisher nicht glaubte, dass sie Spleißosomen besitzen, die jedoch ein gemeinsames Merkmal von „Gruppe-II-Introns“ ist, entfernten Cousins ​​des Spleißosoms, die hauptsächlich in Bakterien vorkommen.

Es wird angenommen, dass das Spleißosom und die Introns der Gruppe II einen gemeinsamen Vorfahren haben, der für die Verbreitung der Introns im gesamten Genom verantwortlich war. Während sich Introns der Gruppe II jedoch aus der RNA herausspleißen und dann direkt wieder in die DNA zurückspleißen können, sind die „spleißosomalen Introns“, die in zu finden sind Die meisten Organismen höherer Ebenen benötigen das Spleißosom zum Spleißen und es wurde nicht angenommen, dass es wieder in die DNA eingefügt wird. Die Ergebnisse von Ares‘ Labor deuten jedoch darauf hin, dass das Spleißosom möglicherweise auch heute noch Introns wieder in das Genom einfügt. Dies ist eine interessante Möglichkeit, da Introns, die wieder in die DNA eingeführt werden, das Genom komplexer machen, und ein besseres Verständnis darüber, woher diese Introns kommen, könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie sich Organismen weiterentwickeln.

Aufbauend auf einer interessanten Entdeckung

Die Gene eines Organismus bestehen aus DNA, in der die vier Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T) in Sequenzen angeordnet sind, die biologische Anweisungen kodieren, beispielsweise wie bestimmte Proteine ​​im Körper hergestellt werden Bedürfnisse. Bevor diese Anweisungen gelesen werden können, wird die DNA durch einen als Transkription bezeichneten Prozess in RNA kopiert. Anschließend müssen die Introns in dieser RNA entfernt werden, bevor ein Ribosom sie in tatsächliche Proteine ​​übersetzen kann.

Das Spleißosom entfernt Introns mithilfe eines zweistufigen Prozesses, der dazu führt, dass eines der Enden der Intron-RNA mit der Mitte verbunden wird und ein Kreis mit einem Schwanz entsteht, der wie das „Lariat“ oder Lasso eines Cowboys aussieht. Dieses Aussehen hat dazu geführt, dass sie „Lariat-Introns“ genannt wurden. Kürzlich machten Forscher der Brown University, die die Positionen der Verbindungsstellen in diesen Lariats untersuchten, eine seltsame Beobachtung: Einige Introns waren tatsächlich kreisförmig statt lariatförmig.

Diese Beobachtung erregte sofort Ares‘ Aufmerksamkeit. Etwas schien mit den Lariat-Introns zu interagieren, nachdem sie aus der RNA-Sequenz entfernt wurden, um ihre Form zu ändern, und das Spleißosom war sein Hauptverdächtiger.

„Ich fand das aufgrund dieser alten, alten Vorstellung darüber, wo Introns herkamen, interessant“, sagte Ares. „Es gibt viele Hinweise darauf, dass die RNA-Teile des Spleißosoms, die snRNAs, eng mit Introns der Gruppe II verwandt sind.“

Da der chemische Mechanismus des Spleißens zwischen den Spleißosomen und ihren entfernten Cousins, den Gruppe-II-Introns, sehr ähnlich ist, haben viele Forscher die Theorie aufgestellt, dass, wenn der Prozess des Selbstspleißens zu ineffizient wurde, als dass Introns der Gruppe II zuverlässig selbstständig vervollständigen könnten, Teile von Diese Introns entwickelten sich zum Spleißosom. Während Introns der Gruppe II in der Lage waren, sich direkt wieder in die DNA einzufügen, wurde jedoch nicht angenommen, dass spliceosomale Introns, die die Hilfe von Spleißosomen benötigten, wieder in die DNA eingefügt werden konnten.

„Eine der Fragen, die mir in dieser Geschichte irgendwie gefehlt hat, war: Ist es möglich, dass das moderne Spleißosom immer noch in der Lage ist, ein Lariat-Intron zu nehmen und es irgendwo in das Genom einzufügen?“ Sagte Ares. „Ist es immer noch in der Lage, das zu tun, was der Ahnenkomplex getan hat?“

Um mit der Beantwortung dieser Frage zu beginnen, beschloss Ares zu untersuchen, ob es tatsächlich das Spleißosom war, das Änderungen an den Lariat-Introns vornahm, um deren Schwänze zu entfernen. Sein Labor verlangsamte den Spleißprozess in Hefezellen und entdeckte, dass das Spleißosom, nachdem es die mRNA freigesetzt hatte, aus der es die Introns gespleißt hatte, an den Intron-Lariaten festhielt und diese in echte Kreise umformte. Das Ares-Labor konnte veröffentlichte RNA-Sequenzierungsdaten aus menschlichen Zellen erneut analysieren und stellte fest, dass auch menschliche Spleißosomen über diese Fähigkeit verfügten.

„Wir freuen uns darüber, denn obwohl wir nicht wissen, was diese zirkuläre RNA bewirken könnte, deutet die Tatsache, dass das Spleißosom noch aktiv ist, darauf hin, dass es möglicherweise in der Lage sein könnte, die Insertion des Lariat-Introns zurück in das Genom zu katalysieren“, sagte Ares.

Wenn das Spleißosom in der Lage ist, das Intron wieder in die DNA einzufügen, würde dies auch der Theorie, dass Spleißosomen und Introns der Gruppe II vor langer Zeit einen gemeinsamen Vorfahren hatten, erhebliches Gewicht verleihen.

Eine Theorie testen

Nachdem Ares und sein Labor nun gezeigt haben, dass das Spleißosom die katalytische Fähigkeit besitzt, hypothetisch Introns wieder in die DNA einzubauen, wie es ihre Vorfahren taten, besteht der nächste Schritt für die Forscher darin, eine künstliche Situation zu schaffen, in der sie einem DNA-Strang „füttern“. Spleißosom, das noch an einem Lariat-Intron befestigt ist, und sehen, ob sie es tatsächlich dazu bringen können, das Intron irgendwo einzufügen, was einen „Beweis des Konzepts“ für diese Theorie darstellen würde.

Wenn das Spleißosom in der Lage ist, Introns wieder in das Genom einzufügen, dürfte dies beim Menschen ein sehr seltenes Ereignis sein, da die menschlichen Spleißosomen unglaublich stark nachgefragt werden und daher nicht viel Zeit für die entfernten Introns bleibt. In anderen Organismen, in denen das Spleißosom nicht so beschäftigt ist, kann die Wiedereinfügung von Introns jedoch häufiger erfolgen. Ares arbeitet eng mit Russ Corbett-Detig, Professor für Biomolekulartechnik an der UCSC, zusammen, der kürzlich eine systematische und umfassende Suche nach neuen Introns in den verfügbaren Genomen aller intronhaltigen Arten durchgeführt hat, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (PNAS) letztes Jahr.

Die Arbeit in PNAS zeigte, dass Intron-„Burst“-Ereignisse weit zurück in der Evolutionsgeschichte wahrscheinlich Tausende von Introns auf einmal in ein Genom einführten. Ares und Corbett-Detig arbeiten nun daran, ein Burst-Ereignis künstlich nachzubilden, um Einblicke in die Reaktion der Genome zu erhalten, als dies geschah.

Ares sagte, dass seine interdisziplinäre Partnerschaft mit Corbett-Detig ihnen die Türen geöffnet habe, um wirklich in einige der größten Geheimnisse über Introns einzutauchen, die sie ohne ihr gemeinsames Fachwissen wahrscheinlich nicht vollständig verstehen könnten.

„Es ist der beste Weg, Dinge zu erledigen“, sagte Ares. „Wenn Sie jemanden finden, der die gleichen Fragen im Kopf hat, aber andere Methoden, Perspektiven, Vorurteile und seltsame Ideen hat, wird das spannender. Das gibt Ihnen das Gefühl, dass Sie ausbrechen und ein Problem wie dieses lösen können.“ was sehr komplex ist.“