Bardzo skoczne DNA

Choć jest niezbędny do przeżycia komórki, ludzki genom wcale nie jest tak stabilny i niezmienny, jak mogłoby się wydawać. Od pewnego czasu wiadomo, że niektóre jego fragmenty posiadają wybitną zdolność do zmiany pozycji, lecz wyniki badań nad intensywnością tego procesu mogą zaskakiwać.

Zaledwie około 2 procent genomu człowieka, czyli ogółu całości jego informacji genetycznej, to geny, czyli fragmenty niezbędne dla syntezy cząsteczek wytwarzanych w komórkach. Pozostałe fragmenty to tajemnicza mieszanina sekwencji, których pochodzenie i rola nie zostały dokładnie zdefiniowane. Najczęściej występującymi w tej grupie elementami są tzw. retrotranspozony Alu, zdolne do wstawiania kolejnych kopii samych siebie oraz otaczających je fragmentów do genomu określonej komórki.

Sekwencje Alu, nazwane tak ze względu na zdolność bakteryjnego enzymu AluI do ich przecięcia, zostały odkryte kilkadziesiąt lat temu. Stanowią aż 10% genomu człowieka, a do tego ich liczba wciąż rośnie. Ze względu na fakt, że mogą one losowo wbudować się w dowolnym miejscu cząsteczki DNA, mogą stanowić poważne zagrożenie dla ludzkiego zdrowia. Jak tłumaczy badający je naukowiec, dr Scott Devine ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Emory, te elementy stanowią istotne zagrożenie dla naszej informacji genetycznej, ponieważ mogą uszkodzić geny, kiedy do nich wskakują. Prowadzą w ten sposób do zmiany cech genetycznych albo chorób, takich jak nowotwory.

Ze względu na niebezpieczeństwo związane z występowaniem charakterystycznych sekwencji, badacze postanowili zmierzyć ich "ruchliwość". Aby tego dokonać, podzielili występujące w typowym genomie retrotranspozony Alu na rodziny, a następnie badali każdą z nich w warunkach laboratoryjnych. Klucz do rozróżnienia poszczególnych grup był prosty: badacze wyszli z założenia, że im dawniej dana sekwencja została wbudowana, tym więcej przeszła od tego czasu mutacji, a im więcej przeszła mutacji, tym większe jest prawdopodobieństwo, że utraciła zdolność do wykonywania kolejnych "skoków".

Jak tłumaczy dr Devine, chcieliśmy sprawdzić, jaki czynnik decyduje, czy dany element Alu będzie ruchomy. W ten sposób moglibyśmy przewidywać, które kopie Alu mają większą zdolność do niszczenia naszej informacji genetycznej. Informacja ta będzie bardzo istotna, ponieważ wkraczamy w epokę spersonalizowanej genomiki, która pozwala nam na przewidywanie naszego zdrowia w przyszłości.

Aby zbadać właściwości poszczególnych rodzin, przedstawiciel każdej z nich został umieszczony w niedużej kolistej cząsteczce DNA zwanej plazmidem. Zaraz obok niego ulokowano, dzięki metodom inżynierii genetycznej, gen kodujący białko zapewniające komórkom oporność na jedną z toksyn. Przygotowane w ten sposób cząsteczki wbudowano do komórek hodowanych w laboratorium.

Zgodnie z założeniami eksperymentu, "przeniesienie się" fragmentu Alu z plazmidu do genomu komórki powinno spowodować, że przesunie się wraz z nim gen oporności na truciznę. Powinno to oznaczać, że im bardziej aktywny jest dany retrotranspozon, tym więcej komórek przeżyje ekspozycję na szkodliwy związek.

Z wykonanych obliczeń wynika, że w ludzkim genomie istnieje około 37000 aktywnych elementów Alu, z czego aż 10000 to fragmenty bardzo aktywne, które mogą zostać w każdej chwili przeniesione do dowolnego innego miejsca w cząsteczce DNA. Oznacza to, że każdy z nich może w dowolnym momencie zmienić swoją pozycję i uszkodzić istotny dla komórki gen, prowadząc do katastrofalnych konsekwencji.

Zdolność sekwencji Alu do zmiany własnej pozycji w genomie jest zależna od innego retrotranspozonu, zwanego L1. Jak tłumaczy dr Devine, uzależnienie ich "ruchliwości" od fragmentów L1 sprawia, że Alu to tak naprawdę pasożyty pasożytów.

Badania pokazują, że oba elementy są wspólnie "przepisywane", bardzo podobnie do genów, na cząsteczki RNA (proces ten nazywamy transkrypcją), lecz zawarte w nich unikalne sekwencje sprawiają, że mogą zostać "przepisane" z powrotem na DNA dzięki zjawisku odwrotnej transkrypcji. Powstała w ten sposób niewielka cząsteczka DNA może włączyć się do genomu w losowym miejscu, powodując cały szereg konsekwencji.

Obecnie nie wiadomo dokładnie, jak powstały tajemnicze struktury, ani jakie czynniki decydują o ich aktywności. Zrozumienie tego procesu może być jednak bardzo istotne dla zwiększenia naszej wiedzy o ludzkiej informacji genetycznej. Jak tłumaczą badacze, średnio co dwudzieste dziecko rodzi się z nowym elementem Alu w swoim genomie, a konsekwencje tego zjawiska mogą mieć kolosalny wpływ na życie i zdrowie ludzi.

Badania dr. Devine'a przeprowadzono we współpracy z Instytutem Biologii Rozwoju wchodzącym w skład Instytutu Maxa Plancka. Wyniki studium publikuje czasopismo Genome Research.

Alu retrotranspozon transpozon retrotranspozony transpozony skaczące geny L1 genom