Podobnie jak jej wirusowi kuzyni, odkryto, że nieco pasożytnicza sekwencja DNA zwana retrotranspozonem pożycza własną maszynerię komórki, aby osiągnąć swoje cele.
W nowej pracy, która ukazała się w środę w internetowym czasopiśmie Nature, zespół z Duke University ustalił, że retrotranspozony przejmują mało znaną część funkcji naprawy DNA komórki, zamykając się w kształt przypominający pierścień, a następnie tworząc pasującą podwójną nić.
Odkrycie obala 40 lat konwencjonalnej mądrości, według której te pierścienie były tylko bezużytecznym produktem ubocznym złego kopiowania genów. Może również dostarczyć nowych informacji na temat raka, infekcji wirusowych i odpowiedzi immunologicznych.
Retrotranspozony to segmenty DNA o długości około 7000 liter, które kopiują się i wklejają w różne części genomów roślin i zwierząt. W ten sposób odgrywają rolę w przepisywaniu DNA i regulowaniu sposobu, w jaki komórka wykorzystuje swoje geny. Uważa się, że retrotranspozony stoją za wieloma zmiennościami i innowacjami w genach, które napędzają ewolucję, i są dziedziczone po obojgu rodzicach.
Wiele badań sugeruje, że te pierścienie DNA poza chromosomami są w jakiś sposób zaangażowane w rozwój i progresję raka, po części dlatego, że wiadomo, że w swoich sekwencjach DNA przechowują onkogeny napędzające raka. Wiadomo również, że retrowirus HIV, który powoduje AIDS, tworzy kolisty DNA.
„Myślę, że te elementy są źródłem dynamiki genomu, ewolucji zwierząt, a nawet wpływają na nasze codzienne życie” – powiedział Zhao Zhang (ZZ), adiunkt farmakologii i biologii raka oraz naukowiec Duke Science & Technology. „Ale wciąż jesteśmy w trakcie doceniania ich funkcji”.
Retrotranspozony są dość powszechne – stanowią około 40% ludzkiego genomu i ponad 75% genomu kukurydzy – ale to, jak i gdzie się kopiują, zawsze było trochę niejasne.
Zhang trzyma gruby podręcznik na temat retrowirusów, z którego korzystał w ramach tego badania. W książkach czytamy, że pierścieniowe sekwencje „są tworzone przez rekombinację dwóch końców liniowego DNA i są po prostu ślepym zaułkiem, produktem ubocznym nieudanej replikacji” – powiedział.
We wcześniejszej pracy z jajami muszek owocowych zespół Zhanga ustalił, że odziedziczone retrotranspozony wykorzystują „komórki pielęgniarskie”, które podtrzymują jajo, jako fabryki do produkcji wielu własnych kopii, które są następnie rozprowadzane w całym genomie w rozwijającym się jaju muszki. Ten modelowy system pozwolił naukowcom jeszcze bardziej powiększyć obraz, aby dowiedzieć się więcej o retrotranspozonach.
W najnowszej pracy nieoczekiwanie odkryli, że większość nowo dodanych retrotranspozonów miała tę kolistą formę, a nie była zintegrowana z genomem gospodarza. Następnie przeprowadzili serię eksperymentów, niszcząc po kolei mechanizmy naprawy DNA komórki, aby dowiedzieć się, jak i gdzie powstają kręgi.
Odpowiedź: mało zbadany mechanizm naprawy DNA zwany naprawą alternatywnego łączenia końców DNA, w skrócie alt-EJ, który naprawia pęknięcia dwuniciowe. Sekwencje retrotranspozonu wykorzystywały tę część mechanizmu naprawczego gospodarza do zszywania ze sobą końców ich jednoniciowego DNA, a następnie wykorzystywały jego syntazę DNA do tworzenia pasującej nici podwójnej. Na wszelki wypadek naukowcy potwierdzili, że jest to również proces zachodzący w ludzkich komórkach.
Tak więc retrotranspozony nie są przypadkowym wypadkiem; w rzeczywistości przejmują kontrolę nad maszynerią komórkową, aby produkować więcej samych siebie, tak jak robią to wirusy.
„Nasze odkrycie faktycznie obala model podręcznikowy” – powiedział Zhang. “Pokazaliśmy, że zdarzenie rekombinacji zaproponowane w podręczniku nie jest ważne dla tworzenia pierścieni” – powiedział Zhang. „Zamiast tego jest to produkcja koła napędowego ścieżki alt-EJ”.
„Moje laboratorium próbuje obecnie sprawdzić, czy koliste DNA może być półproduktem do tworzenia nowych wstawek genomu” – powiedział Zhang. „Testujemy również, czy koliste DNA może być wykryte przez nasz układ odpornościowy, aby wywołać odpowiedź immunologiczną”.
„W dziedzinie retrowirusów i retrotranspozonów ludzie myślą, że koliste DNA to tylko drobne wydarzenie, ale nasze badanie przenosi koliste DNA na główną scenę” – powiedział Zhang. „Ludzie powinni zwracać większą uwagę na kolisty DNA”.
Finansowanie tego badania pochodziło z National Cancer Institute (P01CA247773), National Institutes of Health (DP5 OD021355, R01 GM141018) oraz Pew Biomedical Scholars Program.