TEADLASTEL VAJUS SUU LAHTI ⟩ Need olendid tekitavad genoomiväliseid uitavaid geene – kas ka meie?

DNA-l, millel on kaksikheeliksi struktuur, võib olla palju geneetilisi mutatsioone ja variatsioone. Foto: Pixabay

1960. aastatel dekodeeriti esmakordselt geneetiline kood, mis muutis meie geenid justkui avatud raamatuks. Lugedes ja dekodeerides kromosoome kui lineaarseid tähejadasid, nagu lauseid romaanis, on teadlased suutnud tuvastada geene meie genoomis ja mõista, miks muutused geenikoodis mõjutavad tervist. Arvati, et see lineaarne reegel kehtib kõikide eluvormide puhul, inimestest kuni bakteriteni. Paraku pole looduses asjad kaugletki nii, nagu inimesed kord arvanud. Üllatusi tuleb teaduses ikka ette ja nii on põhjust ümber mõtestada ka pärilikkusaine roll ning olemus..

Uus Columbia Ülikooli teadlaste käe all valminud uuring näitab, et bakterid rikuvad seda reeglit ja võivad luua vabalt hõljuvaid ning lühiajalisi geene, mis viitab võimalusele, et sarnased geenid võivad eksisteerida ka väljaspool meie enda genoomi.

«Selle avastuse pöörab pea peale idee, et kromosoom sisaldab täielikku komplekti juhiseid, mida rakud kasutavad valkude tootmiseks,» selgitas uurimistööd juhtinud Vagelose arstiteaduse ja kirurgia kolledži (Vagelos College of Physicians and Surgeons) biokeemia ja molekulaarbioloogia dotsent Samuel Sternberg, koos meditsiinikooli MD/PhD üliõpilase Stephen Tangiga.

«Nüüd teame, et vähemalt bakterite puhul võivad rakud sisaldada veel teisigi juhiseid, mis pole genoomis säilinud, kuid on siiski raku ellujäämiseks olulised,» lisas Sternberg. Uuring avaldati ajakirjas Science.

«Hämmastav» ja «tulnukabioloogia»

Teaduslik reaktsioon sellele uuringule tekitas juba mõni kuu tagasi pealkirju, kui artikkel esmakordselt eeltrükina ilmus. Teadlased nimetasid seda avastust ajakirjas Nature «tulnukabioloogiaks», «hämmastavaks» ja «šokeerivaks».

«See tundus uskumatu ja seda korduvalt,» märkis Tang, «ja me liikusime kahtlusest vaimustuseni, kui see mehhanism järk-järgult esile kerkis.»

Bakterid ja nende viirused on olnud omavahelises võitluses aastatuhandeid, kuna viirused püüavad oma DNA-d bakteriaalsesse genoomi sisestada ning bakterid töötavad välja kavalaid kaitsemehhanisme, nagu seda on CRISPR, mis korrigeerib tagasi genoomi tekkinud muutusi, et end kaitsta. Paljud bakterite kaitsemehhanismid on endiselt uurimata, kuid need võiksid viia uute genoomi redigeerimise tööriistade loomiseni.

Bakterite kaitsesüsteem, mida Sternberg ja Tang uurisid, on iseäralik: see hõlmab RNA-d tundmatu funktsiooniga ja pöördtranskriptaasi – ensüümi, mis sünteesib DNA-d RNA näidistest. «Kõige tavalisemad bakterite kaitsesüsteemid lõikavad või lagundavad viiruse DNA-d, seega oli mõte kaitsta genoomi DNA sünteesi kaudu meile mõistatuslik,» märkis Tang.

Vabalt hõljuvad geenid

Et mõista, kuidas see ebatavaline kaitsemehhanism toimib, töötas Tang välja uue tehnika, et tuvastada pöördtranskriptaasi toodetud DNA-d. Ta leidis, et DNA oli pikk, kuid korduv, sisaldades lühikese järjestuse mitut koopiat kaitsesüsteemi RNA molekulis.

Seejärel mõistis ta, et see RNA molekuli osa voldib end silmuseks, ja pöördtranskriptaas rändab mitu korda ümber silmuse, luues korduvat DNA-d.

«See on nagu oleksite kavatsenud raamatut paljundada, kuid koopiamasin hakkas lihtsalt sama lehekülge üha uuesti ja uuesti välja laskma,» selgitas Sternberg.

Alguses arvasid teadlased, et nende katsetes on midagi valesti või et ensüüm tegi vea ja loodud DNA oli mõttetu.

«Siis tegi Stephen geniaalset uurimistööd ja leidis, et DNA molekul on täiesti toimiv, vabalt hõljuv, ajutine geen,» lisas Sternberg.

Teadlased avastasid, et selle geeni kodeeritud valk on bakterite viirusetõrjesüsteemi oluline osa. Viirusnakkus vallandab valgu (mille teadlased nimetasid Neoks) tootmise, mis takistab viiruse paljunemist ja naaberrakkude nakatamist.

Ekstrakromosomaalsed geenid inimestel?

«Kui sarnaseid geene leitakse vabalt hõljumas kõrgemate organismide rakkudes, oleks see tõeliselt murranguline avastus,» märkis Sternberg. «Võib-olla on olemas geene või DNA-järjestusi, mis ei asu üheski inimese 23 kromosoomist. Võib-olla sünteesitakse neid ainult teatud keskkondades, teatud arengulistes või geneetilistes kontekstides, kuid nad pakuvad kriitilist kodeerimisinfot, mida me vajame oma normaalse füsioloogia jaoks.»

Labor kasutab nüüd Tangi meetodeid, et otsida inimese ekstrakromosomaalseid geene, mida toodavad pöördtranskriptaasid.

«Inimese genoomis eksisteerivad tuhanded pöördtranskriptaasi geenid ja paljudel neist on siiani avastamata funktsioonid. On olemas oluline lünk, mida tuleb täita ja mis võib paljastada veel huvitavamat bioloogiat,» selgitas Sternberg.

Geenide redigeerimise allikas

Siiski pole CRISPR täiuslik tehnoloogia. Uued tehnikad, mis ühendavad CRISPR-i pöördtranskriptaasiga, annavad genoomiinseneridele suurema võimsuse. «Pöördtranskriptaas annab võimaluse lisada uut informatsiooni kohtadesse, mida CRISPR lõikab, aga mida CRISPR üksi ei suuda teha,» selgitas Tang, «kuid kõik kasutavad sama pöördtranskriptaasi, mis avastati aastakümneid tagasi.»

Pöördtranskriptaas, mis loob Neo, omab teatud omadusi, mis võivad muuta selle paremaks valikuks genoomi redigeerimiseks laboris ja uute geeniteraapiate loomiseks. Ja veel salapärasemad pöördtranskriptaasid eksisteerivad bakterites, mis ootavad avastamist.

«Me usume, et bakteritel võib olla varjatud võimekusi pöördtranskriptaaside näol, mis võivad olla paljulubavad lähtekohad uutele tehnoloogiatele, kui me mõistame, kuidas need toimivad,» selgitas Sternberg.
Siinkohal on tegemist olukorraga, kus ainurakses organismis või ehk tulevikus ka hulkrakse organsimi rakus saab toimetada DNA põhine ja muu genoomiga mitteseotud tervikgeen. Geen, mis tekkib meile täna teadmata põhjusil ja mis lülitub välja ja kaub ka teatud oludes. Selline nähtus võiks anda ka geeniteraapiatele sootuks uue tähenduse, mille detaile täna veel vaevu hoomatakse.

Allikad: Columbia University Irving Medical Center ja Phys.org