生物體的復雜性是由它們的基因編碼的，但是這些基因是從哪里來的呢?赫爾辛基大學的研究人員解決了圍繞小調(diào)控基因起源的懸而未決的問題，并描述了一種產(chǎn)生DNA回文的機制。在適當?shù)沫h(huán)境下，這些回文演變成microRNA基因。
人類基因組包含大約20,000個用于構(gòu)建蛋白質(zhì)的基因。這些經(jīng)典基因的作用是由數(shù)千個調(diào)控基因協(xié)調(diào)的，其中最小的調(diào)控基因編碼的microRNA分子長度為22個堿基對。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家們著迷。
所有RNA分子都需要堿基的回文排列，以將分子鎖定在其功能構(gòu)象中。重要的是，隨機堿基突變逐漸形成這種回文序列的可能性非常小，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一直困擾著研究人員。芬蘭赫爾辛基大學生物技術(shù)研究所的專家們解開了這個謎團，他們描述了一種機制，可以瞬間產(chǎn)生完整的DNA回文，從而從先前的非編碼DNA序列中產(chǎn)生新的microRNA基因。
在芬蘭科學院資助的一個項目中，研究人員研究了DNA復制中的錯誤。
“DNA一次復制一個堿基，通常突變是錯誤的單個堿基，就像筆記本電腦鍵盤上的錯誤按鍵一樣。我們研究了一種產(chǎn)生更大錯誤的機制，比如從另一個上下文中復制粘貼文本。我們對反向復制文本的情況特別感興趣，這樣就會產(chǎn)生一個回文。”
研究人員認識到，DNA復制錯誤有時可能是有益的。他們向RNA生物學專家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RNA分子的功能至關(guān)重要，”他解釋說。
研究人員決定把重點放在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——它們必須折疊成發(fā)夾結(jié)構(gòu)才能正常工作。
一個核心的見解是使用定制的計算機算法對基因歷史進行建模。根據(jù)博士后研究員Heli Mönttinen的說法，這使得迄今為止最接近基因起源的檢查成為可能。
“數(shù)十種靈長類動物和哺乳動物的全基因組是已知的。通過對它們的基因組進行比較，可以發(fā)現(xiàn)哪些物種有microRNA回文對，哪些物種沒有。通過對歷史的詳細建模，我們可以看到整個回文都是由單個突變事件產(chǎn)生的，”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基因的興起是如此容易，以至于新基因可能會影響人類健康。Heli Mönttinen從更廣泛的角度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。
“從無到有的新基因的出現(xiàn)讓研究人員著迷。我們現(xiàn)在有了RNA基因進化的優(yōu)雅模型，”她強調(diào)說。
盡管研究結(jié)果是基于小的調(diào)控基因，但研究人員認為，這些發(fā)現(xiàn)可以推廣到其他RNA基因和分子。例如，通過使用由新發(fā)現(xiàn)的機制產(chǎn)生的原料，自然選擇可能會創(chuàng)造出更復雜的RNA結(jié)構(gòu)和功能。
這項研究發(fā)表在《PNAS》上。
Generation of de novo miRNAs from template switching during DNA replication
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-12） | 
