الآلية الخفية لخلق الجينات

اكتشف باحثون في جامعة هلسنكي آلية تولد بشكل فوري الحمض النووي المتناظرة، مما قد يؤدي إلى إنشاء جينات microRNA جديدة من تسلسلات الحمض النووي غير المشفرة. وهذا الاكتشاف تم أثناء دراسة أخطاء تضاعف الحمض النووي وتأثيرها عليه الحمض النووي الريبي الهياكل الجزيئية، يقدم رؤى جديدة حول أصول الجينات.

إن تعقيد الكائنات الحية مشفر داخل جيناتها، ولكن من أين تأتي هذه الجينات؟ قام الباحثون في جامعة هلسنكي بحل الأسئلة العالقة حول أصل الجينات التنظيمية الصغيرة، ووصفوا الآلية التي تخلق تناظر الحمض النووي الخاص بهم. في ظل الظروف المناسبة، تتطور هذه المتناظرات إلى جينات microRNA.

الجينات والبروتينات: اللبنات الأساسية للحياة

يحتوي الجينوم البشري على كاليفورنيا. 20.000 جينة تستخدم في بناء البروتينات. يتم تنسيق أعمال هذه الجينات الكلاسيكية بواسطة آلاف الجينات التنظيمية، أصغرها يقوم بتشفير جزيئات microRNA التي يبلغ طولها 22 زوجًا أساسيًا. في حين أن عدد الجينات يظل ثابتًا نسبيًا، إلا أنه في بعض الأحيان تظهر جينات جديدة أثناء التطور. وعلى غرار نشأة الحياة البيولوجية، استمر أصل الجينات الجديدة في إثارة إعجاب العلماء.

حل اللغز المتناوب

تتطلب جميع جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) مجموعات متناوبة من القواعد التي تحبس الجزيء في شكله الوظيفي. والأهم من ذلك، أن فرص حدوث طفرات أساسية عشوائية تشكل مثل هذه المسارات المتناوبة تدريجيًا ضئيلة للغاية، حتى بالنسبة لجينات الرنا الميكروي البسيطة. ومن ثم، فإن أصل هذه التسلسلات المتناوبة قد حير الباحثين. لقد حل الخبراء في معهد التكنولوجيا الحيوية بجامعة هلسنكي بفنلندا هذا اللغز، ووصفوا آلية يمكنها على الفور توليد متناظرات كاملة للحمض النووي، وبالتالي إنشاء جينات microRNA جديدة من تسلسلات الحمض النووي غير المشفرة سابقًا.

رؤى تكرار الحمض النووي

في مشروع ممول من الأكاديمية الفنلندية، درس الباحثون الأخطاء في تكرار الحمض النووي. يقارن آري لويتينوجا، قائد المشروع، تكرار الحمض النووي بطباعة النص.

“يتم نسخ الحمض النووي قاعدة واحدة في كل مرة، وعادة ما تكون الطفرات عبارة عن قواعد مفردة خاطئة، مثل الضربات الخاطئة على لوحة مفاتيح الكمبيوتر المحمول. لقد درسنا آلية تؤدي إلى حدوث أخطاء أكبر، مثل نسخ ولصق النص من سياق آخر. لقد كنا مهتمين بشكل خاص بالحالات التي نسخت النص إلى الخلف بحيث يخلق متناظرًا.

درس الباحثون آلية الخطأ في تكرار الحمض النووي، ولاحظوا أن بعض الأخطاء تخلق متناظرات يمكن أن تتحول إلى هياكل دبوس الشعر. الائتمان: آري Löytynoja

هياكل الحمض النووي الريبي (RNA) وأخطاء الحمض النووي (DNA).

أدرك الباحثون أن أخطاء تكرار الحمض النووي قد تكون مفيدة في بعض الأحيان. وقد وصفوا هذه النتائج لميكو فريلاندر، الخبير في بيولوجيا الحمض النووي الريبوزي (RNA). لقد رأى على الفور الارتباط ببنية جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA).

“في جزيء الحمض النووي الريبي (RNA)، يمكن لقواعد المتناظرات المتجاورة أن تقترن وتشكل هياكل تشبه دبوس الشعر. ويوضح أن مثل هذه الهياكل ضرورية لوظيفة جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA).

قرر الباحثون التركيز على جينات microRNA بسبب بنيتها البسيطة: الجينات قصيرة جدًا – فقط بضع عشرات من القواعد – وعليها أن تنثني في بنية دبوس الشعر لتعمل بشكل صحيح.

كانت الفكرة المركزية هي نمذجة تاريخ الجينات باستخدام خوارزمية حاسوبية مخصصة. ووفقا لباحث ما بعد الدكتوراه هيلي مونتينن، فإن هذا يتيح أقرب فحص لأصل الجينات حتى الآن.

“إن الجينوم الكامل لعشرات الرئيسيات والثدييات معروف. وتكشف المقارنة بين الجينومات الخاصة بهم صِنف تمتلك زوجًا متناظرًا من microRNA، والتي تفتقر إليه. يقول مونتينن: “من خلال النمذجة التفصيلية للتاريخ، يمكننا أن نرى أن المتناظرات الكاملة يتم إنشاؤها بواسطة أحداث طفرة واحدة”.

كانت الفكرة الأساسية هي نمذجة تاريخ الجينات باستخدام معلومات من الأنواع ذات الصلة. أظهرت النمذجة أن تناظر جينات الرنا الميكروي تتولد عن أحداث طفرة مفردة. الائتمان: آري Löytynoja

الآثار والعالمية

ومن خلال التركيز على البشر والرئيسيات الأخرى، أثبت الباحثون في هلسنكي أن الآلية المكتشفة حديثًا يمكن أن تفسر ما لا يقل عن ربع جينات microRNA الجديدة. وبما أنه تم العثور على حالات مماثلة في سلالات تطورية أخرى، فإن آلية الأصل تبدو عالمية.

من حيث المبدأ، فإن ظهور جينات microRNA سهل للغاية لدرجة أن الجينات الجديدة يمكن أن تؤثر على صحة الإنسان. وترى هيلي مونتينن أهمية العمل على نطاق أوسع، على سبيل المثال في فهم المبادئ الأساسية للحياة البيولوجية.

“إن ظهور جينات جديدة من لا شيء قد أذهل الباحثين. لدينا الآن نموذج أنيق لتطور جينات الحمض النووي الريبي”.

وعلى الرغم من أن النتائج تعتمد على جينات تنظيمية صغيرة، إلا أن الباحثين يعتقدون أنه يمكن تعميم النتائج على جينات وجزيئات الحمض النووي الريبي الأخرى. على سبيل المثال، باستخدام المواد الخام الناتجة عن الآلية المكتشفة حديثًا، قد يؤدي الانتقاء الطبيعي إلى إنشاء هياكل ووظائف RNA أكثر تعقيدًا.

ونشرت الدراسة في بناس.

المرجع: “إنشاء miRNAs من جديد من تبديل القالب أثناء تكرار الحمض النووي” بقلم Heli AM Mönttinen وMikko J. Frilander وAri Löytynoja، 29 نوفمبر 2023، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2310752120