Mekanisme tersembunyi penciptaan gen

Sebuah studi baru mengungkap mekanisme untuk menghasilkan homolog DNA yang dapat memunculkan gen mikroRNA baru, menjelaskan asal usul gen dan berpotensi memengaruhi pemahaman kita tentang struktur RNA.

Para peneliti di Universitas Helsinki telah menemukan mekanisme yang menghasilkan kelahiran seketika DNA homolog, yang dapat mengarah pada penciptaan gen microRNA baru dari rangkaian DNA non-coding. Penemuan ini dilakukan saat mempelajari kesalahan replikasi DNA dan pengaruhnya terhadapnya RNA Struktur molekul, memberikan wawasan baru tentang asal usul gen.

Kompleksitas organisme hidup terkode dalam gennya, namun dari manakah gen tersebut berasal? Para peneliti di Universitas Helsinki telah menjawab pertanyaan-pertanyaan yang belum terselesaikan tentang asal usul gen pengatur kecil, dan menjelaskan mekanisme yang menciptakan homologi DNA mereka. Dalam kondisi yang tepat, homolog ini berkembang menjadi gen microRNA.

Gen dan protein: bahan penyusun kehidupan

Genom manusia mengandung ca. 20.000 gen digunakan untuk membangun protein. Tindakan gen klasik ini dikoordinasikan oleh ribuan gen pengatur, gen terkecil mengkode molekul mikroRNA yang panjangnya 22 pasangan basa. Meskipun jumlah gen relatif konstan, terkadang gen baru muncul selama evolusi. Seperti asal usul kehidupan biologis, asal usul gen baru terus membuat para ilmuwan terpesona.

Pecahkan teka-teki bergantian

Semua molekul RNA memerlukan rangkaian basa bergantian yang mengunci molekul ke dalam bentuk fungsionalnya. Yang penting, kemungkinan mutasi basa acak membentuk jalur bolak-balik secara progresif sangat kecil, bahkan untuk gen microRNA sederhana. Oleh karena itu, asal usul rangkaian bolak-balik ini telah membingungkan para peneliti. Para ahli di Institut Bioteknologi di Universitas Helsinki di Finlandia telah memecahkan teka-teki ini, menjelaskan mekanisme yang dapat secara instan menghasilkan homolog DNA lengkap, sehingga menciptakan gen mikroRNA baru dari rangkaian DNA yang sebelumnya tidak mengkode.

Wawasan tentang replikasi DNA

Dalam sebuah proyek yang didanai oleh Akademi Finlandia, para peneliti mempelajari kesalahan dalam replikasi DNA. Ari Luitinoja, pemimpin proyek, membandingkan replikasi DNA dengan pencetakan teks.

“DNA disalin satu basis pada satu waktu, dan mutasi biasanya merupakan basis tunggal yang salah, seperti goresan yang salah pada keyboard laptop. Kami mempelajari mekanisme yang mengarah pada kesalahan yang lebih besar, seperti menyalin dan menempelkan teks dari konteks lain. Kami tertarik terutama bila sudah copy teksnya kebelakang sehingga menghasilkan teks yang simetris.

Para peneliti mempelajari mekanisme kesalahan dalam replikasi DNA dan mengamati bahwa beberapa kesalahan menciptakan homolog yang dapat berubah menjadi struktur jepit rambut. Kredit: Ari Löytynoja

Struktur RNA dan kesalahan DNA.

Para peneliti telah menyadari bahwa kesalahan replikasi DNA terkadang bermanfaat. Mereka menjelaskan temuan tersebut kepada Mikko Freelander, seorang ahli biologi RNA. Dia segera melihat hubungannya dengan struktur molekul RNA.

“Dalam molekul RNA, basa homolog yang berdekatan dapat berpasangan dan membentuk struktur seperti jepit rambut. Struktur seperti itu penting untuk fungsi molekul RNA,” jelasnya.

Para peneliti memutuskan untuk fokus pada gen microRNA karena strukturnya yang sederhana: Gennya sangat pendek—hanya beberapa lusin basa—dan harus dilipat menjadi struktur jepit rambut agar dapat berfungsi dengan baik.

Ide utamanya adalah memodelkan sejarah gen menggunakan algoritma komputer khusus. Menurut peneliti pascadoktoral Helle Monteinen, hal ini memungkinkan pemeriksaan paling dekat mengenai asal usul gen hingga saat ini.

“Genom lengkap dari puluhan primata dan mamalia telah diketahui. Perbandingan genom mereka sangat mengungkap hal ini Menggolongkan Mereka memiliki sepasang mikroRNA palindrom, yang tidak mereka miliki. “Dengan pemodelan sejarah yang mendetail, kita dapat melihat bahwa homolog lengkap tercipta dari peristiwa mutasi tunggal,” kata Montinen.

Ide dasarnya adalah memodelkan sejarah gen menggunakan informasi dari spesies terkait. Pemodelan telah menunjukkan bahwa homolog gen microRNA dihasilkan oleh peristiwa mutasi tunggal. Kredit: Ari Löytynoja

Arkeologi dan kosmopolitanisme

Dengan berfokus pada manusia dan primata lainnya, para peneliti di Helsinki menunjukkan bahwa mekanisme yang baru ditemukan ini dapat menjelaskan setidaknya seperempat gen microRNA baru. Karena kasus serupa juga ditemukan pada garis keturunan evolusi lainnya, mekanisme asal usulnya tampaknya bersifat universal.

Pada prinsipnya kemunculan gen microRNA sangat mudah sehingga gen baru dapat mempengaruhi kesehatan manusia. Helle Montinen melihat pentingnya bekerja dalam skala yang lebih besar, misalnya dalam memahami prinsip dasar kehidupan biologis.

“Munculnya gen-gen baru dari ketiadaan telah mengejutkan para peneliti. Kini kita memiliki model yang elegan untuk evolusi gen RNA.”

Meskipun temuan ini didasarkan pada gen pengatur kecil, para peneliti yakin temuan ini dapat digeneralisasikan pada gen dan molekul RNA lain. Misalnya, dengan menggunakan bahan mentah yang dihasilkan oleh mekanisme yang baru ditemukan, seleksi alam dapat menciptakan struktur dan fungsi RNA yang lebih kompleks.

Studi ini dipublikasikan di Dengan orang-orang.

Referensi: “Pembuatan miRNA de novo dari peralihan templat selama replikasi DNA” oleh Heli AM Mönttinen, Mikko J. Frilander dan Ari Löytynoja, 29 November 2023, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
doi: 10.1073/pnas.2310752120