Wetenschappers hebben een nieuw DNA-bewerkingssysteem ontdekt bij dieren, gevangen van bacteriën van meer dan 60 MYA

Je DNA bevat de blauwdruk voor het bouwen van je lichaam, maar het is een levend document: wijzigingen aan het ontwerp kunnen worden aangebracht door middel van epigenetische tekens.

Epigenetische kenmerken zijn modificaties aan DNA-basen die de genetische basiscode niet veranderen, maar er aanvullende informatie op ‘schrijven’ die met uw genoom kan worden geërfd. Meestal zijn epigenetische kenmerken gereguleerd genexpressiedraai genen In- of uitschakelen – vooral tijdens vroege ontwikkeling Of wanneer je lichaam onder stress staat. Ze kunnen ook “springende genen” onderdrukken – transponeerbare elementen die de integriteit van uw genoom bedreigen.

Bij mensen en andere eukaryoten zijn twee belangrijke tekenen van epigenetische overerving bekend. Een team van het Marine Biological Laboratory (MBL) heeft een derde nieuwe genetische marker ontdekt – een die voorheen alleen in bacteriën bekend was – in raderdiertjes, bdelloïde, kleine zoetwaterdieren. Deze fundamentele en verrassende ontdekking werd deze week in Natuurcommunicatie.

“We ontdekten in 2008 dat raderdiertjes erg goed zijn in het oppikken van vreemde genen”, zegt senior auteur Irina Arkypova, hoofdwetenschapper bij het Josephine Bay Pole Center van MBL. “Wat we hier hebben gevonden, is dat de rotoren, ongeveer 60 miljoen jaar geleden, per ongeluk een bacterieel gen waardoor ze een nieuw epigenetisch merkteken konden introduceren dat voorheen niet bestond. “Dit is de eerste keer dat is aangetoond dat een horizontaal overgedragen gen het gen hermodelleert.” regelgevend systeem bij eukaryoten.

“Dit is zeer ongebruikelijk en is nog niet eerder gemeld”, zei Arkypova. “Horizontaal overgedragen genen zijn bij voorkeur operationele genen, geen regulerende genen. Het is moeilijk voor te stellen hoe een enkel horizontaal overgedragen gen een nieuw regulerend systeem zou kunnen vormen, omdat de huidige regulerende systemen al zo complex zijn.”

“Het is bijna niet te geloven”, zegt co-eerste auteur Irina Yushinova, een onderzoekswetenschapper in het laboratorium van Arkhipova. “Probeer je maar eens voor te stellen, ergens in de tijd, dat een stukje bacterieel DNA is versmolten tot een stukje eukaryotisch DNA. raderdiertjesgenomen en vormden een functioneel enzym. Dit is niet gemakkelijk, zelfs niet in het laboratorium, en het is natuurlijk gebeurd. Toen creëerde dit gesynthetiseerde enzym dit verbazingwekkende regelsysteem, en bdelloïde rotors konden het gaan gebruiken om al deze springende transposons te controleren. Het is als magie.”

“Je wilt niet dat transposons rechtstreeks in je genoom springen”, zei eerste auteur Fernando Rodriguez, die ook een onderzoekswetenschapper is in het laboratorium van Arkhipova. “Ze gaan dingen verknoeien, dus je wilt ze onder controle houden. En het epigenetische systeem om dat voor elkaar te krijgen is bij verschillende dieren anders. In dit geval, horizontale genoverdracht Van bacteriën naar Gevoerde raderdiertjes Hij creëerde een nieuw genetisch systeem bij dieren dat nog niet eerder was beschreven.”

“Vooral Bdelloid-raderdiertjes moeten vectoren onder controle houden omdat ze zich ongeslachtelijk voortplanten”, zei Arkhipova. “Aseksuele stammen hebben minder middelen om de reproductie van schadelijke transposons te onderdrukken, dus het toevoegen van een extra beschermingslaag kan mutatie-afbraak voorkomen. In feite is het gehalte aan transposons veel lager in bdelloids dan in seksuele eukaryoten die deze extra epigenetische laag niet hebben in hun genomische afweersysteem. “.

In de twee epigenetische kenmerken die eerder in eukaryoten bekend waren, is a methylgroep Aan de DNA-base wordt ofwel cytosine of adenine toegevoegd. De nieuw ontdekte tag van het team is ook een cytosine-modificatie, maar met een duidelijke bacterie-achtige setting voor de methylgroep – een essentiële samenvatting van evolutionaire gebeurtenissen die meer dan twee miljard jaar geleden plaatsvonden, toen het werd ontdekt. epigenetische kenmerken Ze verschenen in vroege eukaryoten.

Bdelloid-raderdiertjes zijn zeer veerkrachtige dieren, zoals het laboratorium van Arkhipova en David Mark Welch bij MBL in de loop der jaren hebben ontdekt. Ze kunnen weken of maanden achtereen volledig uitdrogen (uitdrogen), om vervolgens weer tot leven te komen als er water beschikbaar is. Tijdens de droge fasen wordt hun DNA in vele delen verdeeld. “Wanneer je ze rehydrateert of hun DNA-uiteinden toegankelijk maakt, kan dit een kans zijn voor vreemde DNA-fragmenten van ingenomen bacteriën, schimmels of microalgen om in het raderdiertjesgenoom te komen,” zei Arkhipova. Ze ontdekten dat ongeveer 10 procent van het genoom van het raderdiertje afkomstig is van niet-metazoaire bronnen.

Het laboratorium van Arkhipova was echter verrast om een ​​gen in het raderdiertjesgenoom te vinden dat lijkt op een bacteriële methyltransfer (de methyltransporter katalyseert de overdracht van een methylgroep naar DNA). “We veronderstelden dat dit gen deze nieuwe functie van het onderdrukken van transposons verleent, en we hebben de afgelopen zes jaar echt bewezen dat,” zei Arkhipova.

Het is te vroeg om de implicaties te kennen van de ontdekking van dit nieuwe epigenetische systeem in raderdiertjes. “Een goede vergelijking is het CRISPR-Cas-systeem in bacteriën, dat begon als een fundamentele onderzoeksontdekking. Nu wordt CRISPR-Cas9 alom gebruikt als een hulpmiddel voor het bewerken van genen in andere organismen,” zei Rodriguez. “Dit is een nieuw systeem. Zal het toepassingen en implicaties hebben voor toekomstig onderzoek? Het is moeilijk te zeggen.”

Deze ontdekkingen openen de deur naar nieuwe instrumenten en onderzoeksrichtingen voor onderzoek genoom De functionaliteit en flexibiliteit van dit rotiferensysteem. In de toekomst kan dergelijke kennis op creatieve manieren worden toegepast om de samenleving te beïnvloeden in deze tijd van snelle veranderingen in het milieu.