מחקר חדש חשף כי "DNA אקראי" מתומלל באופן פעיל בשמרים אך נותר בלתי פעיל ברובו בתאי יונקים, למרות ששני האורגניזמים חולקים אב קדמון משותף ומנגנונים מולקולריים. מחקר זה כלל החדרת גן סינתטי בסדר הפוך לתאי גזע של שמרים ועכברים, וחשף הבדלים משמעותיים בפעילות התעתוק. הממצאים מצביעים על כך שבעוד שתאי שמרים מתמללים באופן פעיל כמעט את כל הגנים, תאי יונקים מדכאים את התעתוק באופן טבעי. מחקר זה לא רק מאתגר את ההבנה שלנו של שעתוק גנטי בין מינים, אלא גם טומן בחובו השלכות על עתיד ההנדסה הגנטית וגילוי גנים חדשים.
מחקר חדש מגלה כי בפטריות החד-תאיות שמרים, "אקראי DNA” פעיל באופן טבעי, בעוד שבתאי יונקים, ה-DNA הזה כבוי כמצבו הטבעי בתאי יונקים, למרות שיש להם אב קדמון משותף לפני מיליארד שנים ואותה מנגנון מולקולרי בסיסי.
הממצא החדש סובב סביב התהליך שבו הוראות גנטיות של DNA מומרות תחילה לחומר קשור הנקרא RNA ולאחר מכן לחלבונים המרכיבים את המבנים והאותות של הגוף. בשמרים, עכברים ובני אדם, השלב הראשון בביטוי של גן, שעתוק, ממשיך כאשר קוראים "אותיות" מולקולריות של DNA (נוקלאובסיסים) בכיוון אחד. בעוד ש-80% מהגנום האנושי – מערך ה-DNA המלא בתאים שלנו – מפוענח באופן פעיל ל-RNA, פחות מ-2% מקודדים למעשה לגנים המכוונים את בניית החלבונים.
תעלומה ארוכת שנים בתחום הגנומיקה אם כן היא מה משיג כל התעתיק הזה שאינו קשור לגנים. האם זה רק רעש, תופעת לוואי של האבולוציה, או שיש לו פונקציות?
צוות מחקר ב-NYU Langone Health ביקש לענות על השאלה על ידי יצירת גן גדול וסינטטי, עם קוד ה-DNA שלו בסדר הפוך מההורה הטבעי שלו. אחר כך הם הכניסו גנים סינתטיים לתאי גזע של שמרים ועכברים וצפו ברמות התעתוק בכל אחד מהם. פורסם בכתב העת טֶבַע, המחקר החדש מגלה שבשמרים המערכת הגנטית מוגדרת כך שכמעט כל הגנים מועתקים ללא הרף, בעוד שאותו "מצב ברירת מחדל" בתאי היונקים הוא שהתעתוק מושבת.
מתודולוגיה וממצאים
מעניין, אומרים מחברי המחקר, הסדר ההפוך של הקוד פירושו שכל המנגנונים שהתפתחו בתאי שמרים ויונקים כדי להפעיל או לכבות את השעתוק נעדרו מכיוון שהקוד ההפוך היה שטויות. עם זאת, כמו תמונת מראה, הקוד ההפוך שיקף כמה דפוסים בסיסיים הנראים בקוד הטבעי במונחים של התדירות שבה היו נוכחות אותיות DNA, למה הם נפלו ליד, ובאיזו תדירות הם חזרו על עצמם. כשהקוד ההפוך הוא באורך של 100,000 אותיות מולקולריות, הצוות גילה שהוא כלל באקראי קטעים קטנים רבים של קוד שלא היה ידוע קודם לכן, שכנראה התחילו לשעתוק שמרים לעתים קרובות יותר, והפסיקו אותו בתאי יונקים.
"הבנת הבדלי תעתיק ברירת המחדל על פני מִין יעזור לנו להבין טוב יותר לאילו חלקים של הקוד הגנטי יש פונקציות, ואילו הם תאונות של אבולוציה", אמר הסופר המקביל ג'ף בוקה, דוקטור, הסול וג'ודית ברגשטיין מנהל המכון לגנטיקה של מערכות ב-NYU Langone Health. "זה בתורו מבטיח להנחות את ההנדסה של שמרים לייצור תרופות חדשות, או ליצור טיפולים גנטיים חדשים, או אפילו לעזור לנו למצוא גנים חדשים קבורים בקוד העצום".
העבודה נותנת משקל לתיאוריה לפיה מצב התעתוק הפעיל מאוד של שמרים נקבע כך ש-DNA זר, המוזרק לעתים רחוקות לשמרים, למשל על ידי נגיף ככל שהוא מעתיק את עצמו, סביר להניח שיועתק ל-RNA. אם ה-RNA הזה בונה חלבון עם פונקציה מועילה, הקוד ישמר על ידי האבולוציה כגן חדש. בניגוד לאורגניזם חד-תאי בשמרים, שיכול להרשות לעצמו גנים חדשים ומסוכנים המניעים אבולוציה מהירה יותר, תאי יונקים, כחלק מגופים עם מיליוני תאים משתפים פעולה, פחות חופשיים לשלב DNA חדש בכל פעם שתא נתקל בנגיף. מנגנוני רגולציה רבים מגנים על הקוד המאוזן בעדינות כפי שהוא.
DNA גדול
המחקר החדש היה צריך להסביר את גודלן של שרשראות DNA, כאשר 3 מיליארד "אותיות" נכללות בגנום האנושי, וגנים מסוימים באורך 2 מיליון אותיות. בעוד שטכניקות מפורסמות מאפשרות לבצע שינויים אות אחר אות, כמה משימות הנדסיות יעילות יותר אם חוקרים בונים DNA מאפס, כאשר שינויים רחוקים שנעשו בנתחים גדולים של קוד שהורכב מראש מוחלפים לתא במקום המקביל הטבעי שלו. מכיוון שהגנים האנושיים כל כך מורכבים, המעבדה של Boeke פיתחה לראשונה את גישת "כתיבת הגנום" שלה בשמרים, אך לאחרונה התאימה אותה לקוד הגנטי של היונקים. מחברי המחקר משתמשים בתאי שמרים כדי להרכיב רצפי DNA ארוכים בשלב אחד, ולאחר מכן להעביר אותם לתאי גזע עובריים של עכברים.
עבור המחקר הנוכחי, צוות המחקר התייחס לשאלה עד כמה התעתוק מתפשט על פני האבולוציה על ידי הצגת מתיחה סינתטית של 101 קילו-בסיסים של DNA מהונדס – הגן האנושי hypoxanthine phosphoribosyl transferase 1 (HPRT1) בסדר קידוד הפוך. הם צפו בפעילות נרחבת של הגן בשמרים למרות החוסר בקוד השטויות של מקדמים, קטעי DNA שהתפתחו כדי לאותת לתחילת השעתוק.
יתר על כן, הצוות זיהה רצפים קטנים בקוד ההפוך, מתיחות חוזרות ונשנות של אבני בניין אדנוזין ותימין, הידועים כמוכרים על ידי גורמי שעתוק, חלבונים הנקשרים ל-DNA כדי להתחיל שעתוק. באורך של רק 5 עד 15 אותיות, רצפים כאלה יכולים להתרחש בקלות באופן אקראי ועשויים להסביר חלקית את מצב ברירת המחדל הפעיל מאוד של השמרים, אמרו המחברים.
להיפך, אותו קוד הפוך, שהוכנס לגנום של תאי גזע עובריים של עכבר, לא גרם לשעתוק נרחב. בתרחיש זה, השעתוק הודחק למרות שדינוקלאוטידים של CpG שהתפתחו, הידועים כמכבים (השתקת) גנים באופן אקטיבי, לא פעלו בקוד ההפוך. הצוות משער שאלמנטים בסיסיים אחרים בגנום היונקים עשויים להגביל את השעתוק הרבה יותר מאשר בשמרים, ואולי על ידי גיוס ישיר של קבוצת חלבונים (תסביך הפוליקומב) הידועה כמשתקת גנים.
"ככל שנתקרב להחדרת 'ערך של גנום' של דנ"א שטויות לתאים חיים, כך הם יכולים להשוות אותו טוב יותר לגנום המפותח בפועל", אמר הסופר הראשון ברנדן קמלטו, סטודנט לתואר שני במעבדה של בוקה. "זה יכול להוביל אותנו לחזית חדשה של טיפולי תאים מהונדסים, שכן היכולת להכניס DNA סינתטי ארוכים יותר מאפשרת הבנה טובה יותר של ההחדרות שהגנום יסבול, ואולי הכללת גן אחד או יותר גדול, שלם ומהונדס. ”
