生物體的復(fù)雜性被編碼在它們的基因中，但這些基因從哪里來呢?赫爾辛基大學(xué)的研究人員解決了有關(guān)小調(diào)控基因起源的懸而未決的問題，并描述了一種創(chuàng)建 DNA 回文的機制。在適當(dāng)?shù)那闆r下，這些回文會進化成microRNA基因。

人類基因組包含約。20,000 個用于構(gòu)建蛋白質(zhì)的基因。這些經(jīng)典基因的作用由數(shù)千個調(diào)控基因協(xié)調(diào)，其中最小的基因編碼長度為 22 個堿基對的 microRNA 分子。雖然基因的數(shù)量保持相對恒定，但在進化過程中偶爾會出現(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運行，將分子鎖定為其功能構(gòu)象。重要的是，隨機堿基突變逐漸形成這種回文運行的機會非常小，即使對于簡單的 microRNA 基因也是如此。因此，這些回文序列的起源讓研究人員感到困惑。芬蘭赫爾辛基大學(xué)生物技術(shù)研究所的專家解開了這個謎團，描述了一種可以瞬間生成完整 DNA 回文的機制，從而從以前的非編碼 DNA 序列中創(chuàng)建新的 microRNA 基因。

在芬蘭科學(xué)院資助的一個項目中，研究人員研究了 DNA 復(fù)制中的錯誤。項目負(fù)責(zé)人 Ari Löytynoja 將 DNA 復(fù)制比作文本輸入。

“DNA 一次復(fù)制一個堿基，通常突變是錯誤的單個堿基，就像筆記本電腦鍵盤上的誤擊一樣。我們研究了一種產(chǎn)生更大錯誤的機制，例如從另一個上下文復(fù)制粘貼文本。我們對向后復(fù)制文本以創(chuàng)建回文的情況特別感興趣。”

研究人員認(rèn)識到 DNA 復(fù)制錯誤有時可能是有益的。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并形成類似發(fā)夾的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對于 RNA 分子的功能至關(guān)重要，”他解釋道。

研究人員決定將重點放在 microRNA 基因上，因為它們的結(jié)構(gòu)簡單：這些基因非常短，只有幾十個堿基，而且它們必須折疊成發(fā)夾結(jié)構(gòu)才能正常發(fā)揮作用。

一個核心見解是使用定制計算機算法對基因歷史進行建模。博士后研究員 Heli Mönttinen 表示，這使得迄今為止對基因起源進行最接近的檢查成為可能。

“數(shù)十種靈長類動物和哺乳動物的整個基因組是已知的。對它們基因組的比較揭示了哪些物種具有 microRNA 回文對，哪些物種缺乏。通過對歷史的詳細(xì)建模，我們可以看到整個回文是由單個突變事件創(chuàng)建的，”Mönttinen 說。

通過關(guān)注人類和其他靈長類動物，赫爾辛基的研究人員證明，新發(fā)現(xiàn)的機制可以解釋至少四分之一的新型 microRNA 基因。由于在其他進化譜系中也發(fā)現(xiàn)了類似的情況，因此起源機制似乎具有普遍性。

原則上，microRNA 基因的出現(xiàn)非常容易，新的基因可能會影響人類健康。Heli Mönttinen 更廣泛地看待這項工作的意義，例如在理解生物生命的基本原理方面。

“新基因從無到有的出現(xiàn)讓研究人員著迷。我們現(xiàn)在有了一個關(guān)于 RNA 基因進化的優(yōu)雅模型，”她強調(diào)道。

盡管這些結(jié)果是基于小的調(diào)控基因，但研究人員相信這些發(fā)現(xiàn)可以推廣到其他 RNA 基因和分子。例如，通過使用新發(fā)現(xiàn)的機制產(chǎn)生的原材料，自然選擇可能會創(chuàng)造出更加復(fù)雜的RNA結(jié)構(gòu)和功能。

該研究發(fā)表在《國家科學(xué)院院刊》上。