基因创造机制——“回文”是怎么来的？

一项新的研究揭示了产生DNA回文的机制，可能导致新的microRNA基因，揭示基因起源，并可能影响我们对RNA结构的理解。

　　

赫尔辛基大学的研究人员发现了一种瞬间产生能量的机制DNA回文，可能导致从非编码DNA序列中产生新的microRNA基因。这一发现是在研究DNA复制错误及其对人类的影响时发现的核糖核酸分子结构，为基因起源提供了新的见解。

生物体的复杂性是由它们的基因编码的，但是这些基因是从哪里来的呢?赫尔辛基大学的研究人员解决了围绕小调控基因起源的悬而未决的问题，并描述了一种产生DNA回文的机制。在适当的环境下，这些回文演变成microRNA基因。

基因和蛋白质:生命的基石

人类基因组包含大约20,000个用于构建蛋白质的基因。这些经典基因的作用是由数千个调控基因协调的，其中最小的调控基因编码的microRNA分子长度为22个碱基对。虽然基因的数量保持相对恒定，但在进化过程中偶尔会出现新的基因。与生物生命的起源类似，新基因的起源一直让科学家们着迷。

解决回文谜题

所有RNA分子都需要碱基的回文排列，以将分子锁定在其功能构象中。重要的是，随机碱基突变逐渐形成这种回文序列的可能性非常小，即使对于简单的microRNA基因也是如此。因此，这些回文序列的起源一直困扰着研究人员。芬兰赫尔辛基大学生物技术研究所的专家们解开了这个谜团，他们描述了一种机制，可以瞬间产生完整的DNA回文，从而从先前的非编码DNA序列中产生新的microRNA基因。

DNA复制见解

在芬兰科学院资助的一个项目中，研究人员研究了DNA复制中的错误。该项目的负责人Ari Löytynoja将DNA复制比作文本的输入。

“DNA一次复制一个碱基，通常突变是错误的单个碱基，就像笔记本电脑键盘上的错误按键一样。我们研究了一种产生更大错误的机制，比如从另一个上下文中复制粘贴文本。我们对反向复制文本以产生回文的情况特别感兴趣。”

RNA结构和DNA错误

研究人员认识到，DNA复制错误有时可能是有益的。他们向RNA生物学专家Mikko Frilander描述了这些发现。他立即发现了与RNA分子结构的联系。

在RNA分子中，相邻回文的碱基可以配对并形成类似发夹的结构。这种结构对RNA分子的功能至关重要，”他解释说。

研究人员决定把重点放在microRNA基因上，因为它们的结构简单:这些基因非常短——只有几十个碱基——它们必须折叠成发夹结构才能正常工作。

一个核心的见解是使用定制的计算机算法对基因历史进行建模。根据博士后研究员Heli Mönttinen的说法，这使得迄今为止最接近基因起源的检查成为可能。

“数十种灵长类动物和哺乳动物的全基因组是已知的。通过对它们的基因组进行比较，可以发现哪些物种有microRNA回文对，哪些物种没有。通过对历史的详细建模，我们可以看到整个回文都是由单个突变事件产生的，”Mönttinen说。

含义和普遍性

通过关注人类和其他灵长类动物，赫尔辛基的研究人员证明，新发现的机制可以解释至少四分之一的新型microRNA基因。由于在其他进化谱系中也发现了类似的情况，因此起源机制似乎具有普遍性。

原则上，microRNA基因的兴起是如此容易，以至于新基因可能会影响人类健康。Heli Mönttinen从更广泛的角度看待这项工作的意义，例如在理解生物生命的基本原理方面。

“从无到有的新基因的出现让研究人员着迷。我们现在有了RNA基因进化的优雅模型，”她强调说。

虽然研究结果是基于小的调控基因，但研究人员认为，这一发现可以推广到其他RNA基因和分子。例如，通过使用由新发现的机制产生的原料，自然选择可能会创造出更复杂的RNA结构和功能。

这项研究发表在《PNAS》上。

参考文献:“Generation of de novo miRNAs from template switching during DNA replication” by Heli A. M. Mönttinen, Mikko J. Frilander and Ari Löytynoja, 29 November 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.