Bu Hücreler Genomu Savunmak İçin Kendi DNA'larını Yok Ediyor | Quanta Dergisi

Marie Delattre, mikroskobik solucanların cinsel üreme uygulamalarını incelerken beklenmedik bir şey fark etti. Mikroskop altında nematodun bir embriyosu görülüyor. Mesorhabditis belari olması gerektiği gibi bölünüyordu; bir hücreden ikiye, hatta dörde doğru ilerliyordu. Ancak birkaç hücrenin içinde, ait olmadıkları yerlerde dolaşan, açıklanamaz bir DNA parçaları spreyi gördü.

"Çekirdeklerin içinde ve dışında her yerde DNA vardı; büyük DNA parçaları" dedi. "Bunun ölü bir embriyo olduğunu sanıyordum."

Embriyo ölmemişti ama genellikle sadece ölü hücrelerin yaptığı bir şey yapıyordu: genomunu yok etmek. "Bu parçaların ne zaman ortaya çıktığını, hangi aşamada olduğunu ve neye benzediğini takip etmeye başladım" dedi. delattreLyon'daki Ecole Normale Supérieure'de hücre biyoloğu. “Bunun tesadüfi olmadığını bu şekilde anladım. Bütün embriyolar bunu yaptı.”

Delattre'nin tesadüfen karşılaştığı şeyler ve kendisinin ve laboratuvarının Ağustos ayında yayınlanan bir makalede anlattıkları Current Biology, organizmaların genomlarının bazı kısımlarını kasıtlı olarak ortadan kaldırdığı programlanmış DNA eliminasyonunun (PDE) bir örneğiydi. Bu, genomun gelecek nesillere sadakatle aktarılacak hayati ve kutsal bir kaynak olduğu kuralına aykırı olan tuhaf bir olgudur.

Şimdiye kadar araştırmacılar, yaşamın tüm dallarında yalnızca 100 kadar türde PDE'yi tanımladılar: Çok sayıda çekirdeğe sahip tek hücreli siliatlar PDE yapar; minik solucanların yanı sıra atların metrelerce uzunluktaki bağırsak parazitleri, birçok böcek ve hatta ötücü kuşlar da öyle. Ancak PDE'yi fark etmek o kadar zor olabilir ki, gerçekte ne kadar yaygın olduğunu kimse bilemez. Delattre, "Biyologlar arasında bile pek iyi bilinmiyor" dedi.

Delattre'ın yeni makalesi, başka bir PDE vakasının varlığını doğrulamanın yanı sıra, bunun için bir açıklamanın da ipucunu veriyor. PDE, sahibine hiçbir faydası olmayan, hatta belki de onu ağırlaştıran hücreler ve DNA dizileri arasında uzun süredir devam eden bir mücadeleye işaret ediyor. Bahçıvanlar gibi hücreler de işlevsel ve üretken kalabilmek için genomlarını korumalıdır. Yabani otlar geldiğinde hücre ne yapmalıdır? Yeni çalışma, bazı türlerin, M. belari, PDE'yi kullanarak yabani otları çıkarabilir.

Görünüşte yeni olmasına rağmen PDE, moleküler biyolojinin ilk günlerinde, araştırmacıların DNA'nın yaşamın genetik materyali olduğunu bilmesinden çok önce keşfedildi. 1887 yılında Alman biyolog Theodor Boveri evrimi araştırıyordu. paraskarilerAtları parazite eden bir nematod olan büyük genomunun mitoz sırasında birleştiğine, parçalandığına ve daha sonra daha küçük parçalara yeniden birleştiğine tanık oldu. Eksik parçalar törensiz bir şekilde çöpe atılmış gibi görünüyor.

20. yüzyılda araştırmacılar, PDE yapan yalnızca bir avuç diğer organizmayı (siliatlar, güveler, kopepodlar, bandicootlar) keşfettiler ve bu, uç bir kavram olarak kaldı. Ancak bu türlerden herhangi birinin bunu neden yaptığı belirsiz kaldı.

Neler olup bittiğini anlamak için Delattre'nin laboratuvarı yetişkin bir solucanın DNA'sına baktı. Araştırmacılar genomları karşılaştırdı M. belariSolucanın somatik (üremeyen) hücrelerinin genomları ile sperm ve yumurta gibi özel üreme hücreleri olan germ hattı hücreleri. Somatik genomlarda, germline genomlarında bulunan uzun dizi dizileri eksikti. Embriyonun yedi hücreden 32 hücreye büyümesi arasında bir zamanda, büyük DNA parçaları kaybolmuştu.

Bilim adamları daha sonra nematod embriyolarının gelişimini mikroskop altında izlediler. Hücreler büyüdükçe ve genomlarını kopyaladıkça, 20 kromozomu parçalara ayırdılar ve ardından bunları 40 minyatür kromozom halinde yeniden birleştirdiler. Parçaların çoğu bu yeni, daha küçük genomda yeniden birleşti; ancak önemli bir kısmı dışarıda bırakıldı.

Toplamda, nematod genomunun üçte birini silmiş. Silinen diziler rastgele seçilmedi. Bir model vardı: Delattre, bunların çoğunlukla genleri kodlamayan, oldukça tekrarlayan DNA uzantıları olduğunu buldu.

Tekrarlanan veya kodlamayan dizilerin benzer uzantıları, ökaryotik hücrelerin genomlarını paketler. Bazıları gerekli işlevleri yerine getirir. Örneğin uydu DNA, DNA'yı paketleyen heterokromatin ve sentromerler gibi yapılar oluştururken diğer tekrarlayan bölümler gen ifadesini düzenler. Bununla birlikte, bazı tekrarlanan diziler, konakçının hayatta kalmasına katkıda bulunmaz ve hatta buna müdahale edebilir.

Bu grup, binlerce veya milyonlarca kendilerini kopyalamak için hücrenin mekanizmasını çalan, kendi kendini kopyalayan DNA dizileri olan transpozonları içerir. Bu, büyük moleküler hırsızlık anlamına geldiği gibi, hücrenin bu dizileri bastırmak için harcaması gereken zaman ve enerjinin israfına da yol açar. Hücreler, transpozonları onları susturan epigenetik işaretlerle veya RNA'larını yakalayıp yok ederek rutin olarak frenler. Ama bazı türler örneğin M. belari, bunları tamamen PDE aracılığıyla kaldırabilir.

Delattre, nematodlarının bunu yaptığından şüpheleniyor. Cornell Üniversitesi'nde transpozonlar üzerinde çalışan ve yeni çalışmaya dahil olmayan evrimsel genetikçi Jonathan Wells, DNA parazitlerinin olası bir hedef olduğu konusunda hemfikir. Transpozonları yönetmek için "ne kadar çok bakarsanız, o kadar çok sistem vardır" dedi.

Bununla birlikte, transpozonlar ve kendi kendini kopyalayan diğer DNA türleri mutlaka kötü adamlar değildir. Transpozonlar genom boyunca kendilerini tekrar tekrar kopyalayarak hücreye aynı zamanda taze malzeme mutasyon geçirip yeni genlere dönüşebilir. Hücreleri özgürce ve serbestçe barındırın genetik dizileri al parazit DNA'sından alın ve bunları yapın normal genomun bir parçası - ya da başka bir açıdan bakarsak, parazitler, sahiplenilecek kadar kendilerini konakçılarına sevdiriyorlar. Wells, "[Tekrarlayan DNA elemanları] diğer tüm genlerin bulunduğu topraktır" dedi. “Bunlar zengin bir yenilik kaynağıdır.”

Transpozonlar hem zararlı hem de faydalı olabileceğinden, PDE'nin onlarla savaşmak dışında da kullanım alanları olabilir. Delattre bile hikayenin tamamının transpozonlar olduğuna ikna olmuş değil. Her ne kadar tekrarlayan DNA olsa da M. belari silinmesi zararlıydı, "neden germ hattından değil de yalnızca somatik hücrelerdeki [parazit DNA'sından] kurtulasınız ki?" diye sordu.

Parazitlerle savaşmanın yanı sıra PDE, hücrelerin farklı yaşam evrelerinde ilerledikçe genomlarını düzenlemesine yardımcı olabilir. Bir organizmanın embriyonik gelişimi için kritik olan birçok gen, olgunluk döneminde gereksizdir. Eğer bir hücre kendisini bu genlerden kurtarabiliyorsa, verimlilik adına neden olmasın? Daha büyük bir genomun kopyalanması ve bakımı daha zordur ve gelişimsel genlerin uygunsuz şekilde ifade edilmesi sorunlara neden olabilir. Germ hattı hücrelerinin yaptığı gibi tam bir genomu yavrulara aktarması gerekmeyen somatik hücrelerde, gerekli olmayan unsurların ortadan kaldırılması, kazanan bir evrimsel strateji olabilir.

Hiç kimse PDE'nin neden oluştuğunu kesin olarak bilmiyor. Yeterince araştırılmadığından ve derinden kabul edilen birçok genetik kavramla çeliştiğinden (bir kağıtBazı ötücü kuşların bir kromozomun tamamını nasıl ortadan kaldırdığını anlatan ve bu silme işlemlerine "Mendel kabusları" adı verilen bir makaleye dayanarak, hemen hemen her hipotez geçerli olabilir.

Delattre, biyologların araştırmalarını genişletmeleri için bir neden daha olduğunu söyledi: "Eğer bilmediğimiz başka türlerde de mevcutsa, onu aramalıyız." Bilim insanları, PDE'yi kimin kullandığını daha iyi anlayarak, bazı organizmaların genomlarını yönetmek için neden bu kadar sert ve potansiyel olarak riskli önlemler aldığını anlamaya daha da yaklaşabilirler. Wells, "PDE'nin bildiğimizden daha yaygın olduğunu düşünmek iyi bir iddia" dedi.