Как клетката открива началото на инструкциите в ДНК: открит е единният механизъм за всички форми на живот

За да може клетката да използва информацията от ДНК, специални ензими трябва да знаят къде точно започва съответният ген. Дълго време биолозите смятаха, че този механизъм е добре проучен в E. coli. Ново мащабно проучване обаче показа: представите ни са били непълни. Учените откриха нов универсален детайл в структурата на гените и установиха, че различните групи бактерии контролират дейността им по коренно различни начини.

Екип от изследователи от Тайван и САЩ анализира геномите на 49 различни вида бактерии. Резултатите, публикувани в списание Nucleic Acids Research, обясняват защо техниките на генното инженерство често се провалят при прехвърлянето им от един организъм в друг.

Проблемът със „стандартния“ микроб

Голяма част от знанията за това как се задействат гените идват от изучаването на един вид бактерия – Escherichia coli (E. coli). Участъкът от ДНК, който служи като сигнал за започване на четенето на даден ген, се нарича промотор.

Смяташе се, че два блока генетичен код, разположени на определено разстояние от началото на гена, играят ключова роля в промотора. Учените са се опитали да открият подобни последователности от букви (нуклеотиди) в други бактерии, но този метод често се е провалял. Това, което е работело за E. coli, е било неефективно за другите микроорганизми, важни за медицината и промишлеността.

Авторите на новата статия променят подхода. Вместо просто да търсят подобни букви в кода, те използват физически модел. Той изчислява здравината на връзката между ДНК и РНК полимеразата – ензимът, който отговаря за копирането на генетичната информация.

Откритие №1: универсалният елемент Start

Използвайки този метод, изследователите откриват трети, пренебрегван досега компонент на промотора. Той се намира точно в точката, където започва четенето на гените. Авторите го наричат елемента „Start“.

Той представлява кратка последователност от три нуклеотида. Уникалността на елемента „Start“ се състои в това, че той е почти идентичен при голямо разнообразие от бактерии, разделени от милиони години еволюция. Нещо повече, подобни структури са открити и в сложните организми, включително растенията и животните.

Това показва, че основният механизъм, който определя началната точка на четене на гените, е възникнал много рано в развитието на живота и се е запазил почти непроменен във всички организми.

Откритие № 2: два еволюционни пътя

Докато началната точка е една и съща при всички, механизмите, контролиращи генната активност, се оказаха различни. Изследването разкри разграничение между две основни групи бактерии: Gracilicutes (към които спада E. coli) и Terrabacteria.

Разликата се крие в участък от ДНК, който се намира непосредствено преди началната точка (той се нарича дискриминатор):

При Gracilicutes този участък има разнообразен състав и служи като чувствителен регулатор. Той позволява на бактерията бързо да променя скоростта на генната активност в отговор на липсата на храна. Ако ресурсите са оскъдни, този участък физически пречи на ензима да започне да се копира.

При терабактериите този участък е твърдо фиксиран и има строг състав. Той осигурява стабилно свързване на ензима, но не се използва за бърз отговор на глада по същия начин, както при първата група.

Защо е това е важно

Това изследване решава отдавнашен проблем в биотехнологиите. В миналото инженерите са се опитвали да прехвърлят генетичните дизайни между видовете, като са предполагали, че правилата за регулиране са еднакви навсякъде. Сега вече е ясно защо тези опити често са се проваляли: системите за контрол на различните групи бактерии са несъвместими.

Новият модел дава възможност за точно прогнозиране на структурата на промоторите при слабо проучени бактерии. Това открива възможност за създаване на по-ефективни лекарства и биотехнологични щамове, използвайки не само познатата E. coli, но и широк спектър от други микроорганизми.