Jedną literą kodu DNA zmienia płeć u myszy [Nature Communications]
Wystarczy zmiana jednej „litery” kodu DNA, aby żeński zarodek myszy z chromosomami XX rozwinął się w samca – informuje „Nature Communications”.
Mutacja genowa i spektakularny efekt rozwojowy
.Przy zapłodnieniu komórka jajowa zawsze dostarcza chromosom X, zaś plemnik może zawierać chromosom X (co daje płeć żeńską XX) lub Y (płeć męska XY). Naukowcy z Uniwersytetu Bar-Ilan wykazali, że niewielka mutacja (dotycząca tylko jednej pary nukleotydów) spowodowała, że myszy z typowo żeńskim genomem XX rozwinęły się jako samce, a nie samice. Ujawnia to istotną rolę niekodującego DNA. Insercja to mutacja genowa, polegająca na wstawieniu jednego lub kilku dodatkowych nukleotydów do sekwencji DNA, co powoduje jej wydłużenie. Wstawienie to może prowadzić do przesunięcia „ramki odczytu”, co zazwyczaj skutkuje powstaniem nieprawidłowego, niefunkcjonalnego białka.
W badanym przypadku insercja pojedynczej pary nukleotydów w niekodującym regionie regulatorowym spowodowała, że myszy XX, które normalnie rozwijałyby się jako samice, rozwinęły się jako samce z jądrami i męskimi narządami płciowymi.
Wyniki są o tyle nieoczekiwane, że mutacja nie powstała w samym genie, ale w odległym fragmencie DNA, który pomaga kontrolować kluczowy gen rozwojowy. Badanie podkreśla ważną rolę genomu niekodującego – 98 proc. DNA, które nie wytwarza białek, ale pomaga regulować, kiedy i jak geny są włączane i wyłączane.
„To niezwykłe odkrycie, ponieważ tak niewielka zmiana – zaledwie jedna litera DNA z około 2,8 miliarda – wystarczyła, aby wywołać spektakularny efekt rozwojowy” – powiedziała dr Nitzan Gonen z Uniwersytetu Bar-Ilan. „Pokazuje to, że niekodujące DNA może mieć ogromny wpływ na rozwój i choroby”.
Szczegóły przeprowadzonych badań
.Mutację wprowadzono do elementu regulatorowego, znanego jako Enh13, który kontroluje aktywność Sox9, genu niezbędnego do rozwoju jąder. Aby jajniki rozwijały się prawidłowo, Sox9 musi być wyłączony. Naukowcy odkryli, że Enh13 działa jak swoisty przełącznik: u samców czynniki promujące rozwój jąder wiążą się z nim i aktywują Sox9, podczas gdy u samic czynniki promujące rozwój jajników wiążą się z Enh13 i hamują Sox9.
Obecne badanie opiera się na wcześniejszych pracach tej samej grupy, opublikowanych w 2024 roku, które wykazały, że inne niewielkie mutacje w tym samym elemencie regulatorowym mogą mieć odwrotny skutek, powodując rozwój myszy XY jako samic.
Naukowcy wprowadzili mutację za pomocą edycji genomu metodą CRISPR. W rezultacie hamowanie rozwoju jąder u samic nie powiodła się – Sox9 został aktywowany, co doprowadziło do rozwoju jąder i rozwoju typowego dla samca.
Zespół stworzył kilka modeli myszy z bardzo małymi mutacjami w Enh13, w tym insercją jednej pary zasad i delecją (ubytkiem) trzech par zasad. Obie mutacje spowodowały rozwój jąder u myszy XX. Następnie naukowcy wykorzystali testy na liniach komórkowych, aby zrozumieć, w jaki sposób mutacja zaburzyła normalny mechanizm regulacyjny.
Poza znaczeniem dla podstawowej biologii, badanie może mieć istotne implikacje dla osób z zaburzeniami rozwoju płci (DSD), grupą schorzeń, które dotykają około 1 na 4000 urodzeń na całym świecie. Ponad połowa przypadków DSD nadal nie ma diagnozy genetycznej, nawet po zsekwencjonowaniu kodujących białka części genomu.
„Nasze odkrycia pokazują, że samo badanie genów nie wystarczy” – powiedziała kierująca badaniami doktorantka Elisheva Abberbock. – „Istotne mutacje chorobotwórcze mogą również znajdować się w genomie niekodującym, w regionach DNA, które kontrolują aktywność genów, a nie kodują białka”.
Zdaniem autorów publikacji nie tylko Enh13, ale również wiele innych regionów regulatorowych w niekodującym DNA może być zaangażowanych w determinację płci i inne zaburzenia rozwojowe. Dlatego pracują nad systematyczną identyfikacją tych regionów i sprawdzeniem ich funkcji. Badaniem kierowała Elisheva Abberbock wraz z innymi badaczami z Uniwersytetu Bar-Ilan. Wśród współpracowników znaleźli się dr Ariel Afek z Instytutu Weizmana i dr Francis Poulat z Uniwersytetu w Montpellier.
Pamięć zapisana w DNA
.Z punktu widzenia informatyki DNA jako potencjalne medium przechowywania danych ma wspaniałe właściwości – piszą prof. Aleksandra OBRĘPALSKA-STĘPLOWSKA i prof. Maciej J. OGORZAŁEK.
WXXI wieku obserwujemy znaczące przyspieszenie generowania różnego typu danych, dotyczących wszystkich aspektów naszego życia. Powstaje potrzeba ich archiwizacji. Chcemy przechowywać pliki tekstowe, graficzne, muzyczne, filmy, duże zbiory danych i całe systemy operacyjne, wykorzystywane od telekomunikacji, poprzez prognozowanie zjawisk klimatycznych, dokumentację medyczną, aż do dotyczących funkcjonowania firm czy jednostek administracyjnych.
Same informacje pozyskiwane przez naukowców przyrastają w ostatnich latach w tempie wykładniczym. Prognozy Samsunga wskazują na wzrost wolumenu danych w najbliższych latach do astronomicznych rozmiarów 175 ZB (zettabajtów = 175 tryliardów (1021) bajtów) w roku 2025. Istniejące technologie i systemy pamięci półprzewodnikowych, magnetycznych i innych mimo niezwykłych osiągnięć w zmniejszaniu ich rozmiarów wydają się niewystarczające do obsługi tak wielkich objętości danych. Opracowanie nowych technologii o ogromnych możliwościach, dotyczących takich parametrów, jak pojemność, szybkość dostępu/odczytu i zapisu, staje się w dzisiejszej dobie konieczne dla dalszego postępu i stworzenia nowych repozytoriów danych cyfrowych.
Przechowywanie tak dużej ilości danych, możliwość ich kopiowania, przekazywania oraz skuteczne mechanizmy kontroli ich poprawności i korekty błędów – to naturalne cechy kwasu dezoksyrybonukleinowego, DNA. Gdy dodamy do tego, że DNA można wyizolować i poznać jego sekwencję (czyli zakodowaną w nim informację), nawet jeśli pochodzi z dobrze zakonserwowanych skamielin sprzed tysięcy lat, to mamy nośnik idealny. I DNA jest idealnym nośnikiem danych biologicznych, czego dowodem są wszystkie organizmy żywe na świecie. Nic więc zatem dziwnego, że coraz częściej upatruje się w DNA alternatywnego nośnika danych cyfrowych.
Wychodząc naprzeciw współczesnym wyzwaniom, zaczęto poszukiwać nowych rozwiązań dla pamięci o dużej gęstości, długim czasie przechowywania i niskiej cenie. Właściwości DNA, jego gęstość fizyczna i duża trwałość w znacznym stopniu spełniają wymagania dotyczące długoterminowego przechowywania dużych zbiorów danych. Prowadzone dotąd analizy ogromnych ilości danych dotyczących DNA oraz funkcjonalnych właściwości związanych z sekwencjonowaniem prowadzą nie tylko do zrozumienia mechanizmów przechowywania informacji w strukturach tego typu i ich powiązania z działaniem organizmów żywych. Badania te zwróciły też uwagę na całkiem nowe możliwości oraz doprowadziły do sformułowania nowych hipotez i problemów badawczych, w szczególności w dziedzinie informatyki. Pokazanie możliwości edycji genomów z wykorzystaniem technologii CRISPR-Cas(Nagroda Nobla dla J. Doudna i E. Charpentier) uruchomiło intensywne badania w dziedzinie biologii molekularnej, Natychmiast pojawiły się również hipotezy dotyczące możliwości zapisudowolnych danych cyfrowych w oparciu o sekwencje DNA.
Warto wspomnieć, że sama idea przechowywania danych w DNA pojawiła się dość dawno i wyprzedziła mocno możliwości technologiczne. Pierwsze pomysły takiego wykorzystania DNA datuje się na lata 50. XX wieku, ale faktyczną próbę wdrożenia tego rozwiązania przypisuje się Joe Davisowi, naukowcowi z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który w latach 80. XX wieku, łącząc sztukę z nauką, postanowił zapisać w DNA starożytną germańską runę oznaczającą życie (projekt „Microvenus”). Zapis powstał najpierw w postaci binarnej, a następnie został przepisany na kod DNA o długości 28 par zasad. DNA został następnie zsyntetyzowany i wprowadzony do genomu bakterii Escherichia coli.
Od tego czasu eksperymentalnie zakodowano w DNA wiele danych. Na przykład w genomach dwóch bakterii, E. coli i Deinococcus radiodurans – zdolnej przeżyć w wyjątkowo ekstremalnych warunkach, w tym w próżni, przetrwać wysuszenie, dawkę promieniowania jonizującego czy ultrafioletowego – zapisano fragment piosenki dla dzieci „It’s a Small World”. Zaś wiele lat później, w ramach projektu realizowanego w Europejskim Instytucie Bioinformatyki w Hinxton, w DNA zakodowano wszystkie 154 sonety Szekspira.
Jak wygląda zapisywanie danych cyfrowych w DNA? Podstawowym etapem związanym z archiwizacją danych na nośniku DNA jest przekodowanie informacji cyfrowej na sekwencję nukleotydów w DNA. W przeciwieństwie do zero-jedynkowego systemu binarnego (0,1), służącego do zapisu danych, DNA funkcjonuje w kodzie 4-literowym, gdyż zbudowany jest z czterech typów nukleotydów (A, T, G, C). Opracowano już odpowiednie algorytmy „przepisujące” ciągi bitów na sekwencję DNA.
Kolejnym etapem jest zorganizowanie tych danych w bibliotekę do możliwie długiego przechowywania. Dzięki rozwojowi biologii syntetycznej istnieje możliwość maszynowej syntezy sekwencji DNA, w której uprzednio zakodowano dane cyfrowe, w wielu kopiach fizycznych (obecność kopii jest również istotna dla weryfikacji ewentualnych błędów w zapisie). Zsyntetyzowany materiał DNA może być następnie przechowywany in vivo (czyli sklonowany i wprowadzony do komórek organizmów żywych) lub, co jest powszechniejsze po 2012 roku, in vitro (poza organizmami żywymi, np. zamrożony w roztworze lub zliofilizowany i przechowywany w odpowiednich warunkach). Tu warto dodać, że przechowywanie danych in vivo powoduje mniejszą gęstość upakowania, a więc rośnie ich objętość, co wynika z relatywnie sporych rozmiarów komórek. Dlatego wydaje się, że w najbliższych latach będzie dominować przechowywanie danych pozakomórkowe (in vitro).
Tekst dostępny na łamach Wszystko co Najważniejsze: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/aleksandra-obrepalska-steplowska-maciej-ogorzalek-pamiec-zapisana-w-dna/
PAP/ Paweł Wernicki/ LW
