새로운 유전자는 무(無)에서도 생길 수 있다

살아있는 유기체의 복잡성은 유전자 내에 암호화되어 있습니다. 그런데 이 유전자는 어디서 오는 것일까요? 헬싱키 대학의 연구자들은 작은 조절 유전자의 기원에 관한 뛰어난 문제를 해결하고 DNA 회문을 생성하는 메커니즘을 설명했습니다. 적절한 환경에서 이러한 회문은 마이크로RNA 유전자로 진화합니다.

인간 게놈에는 ca. 단백질을 구성하는 데 사용되는 유전자는 20,000개입니다. 이러한 고전적 유전자의 작용은 수천 개의 조절 유전자에 의해 조정되며, 그 중 가장 작은 것은 길이가 22개 염기쌍인 microRNA 분자를 암호화합니다. 유전자의 수는 비교적 일정하게 유지되지만 진화 과정에서 때때로 새로운 유전자가 등장합니다. 생물학적 생명의 기원과 유사하게, 새로운 유전자의 기원은 계속해서 과학자들을 매료시켜 왔습니다.

모든 RNA 분자에는 분자를 기능적 형태로 고정하는 회문형 염기가 필요합니다. 중요한 것은, 단순한 마이크로RNA 유전자의 경우에도 무작위 염기 돌연변이가 점진적으로 이러한 회문형 실행을 형성할 가능성이 극히 적다는 것입니다. 따라서 이러한 회문 시퀀스의 기원은 연구자들을 당황하게 만들었습니다. 핀란드 헬싱키 대학 생명공학 연구소의 전문가들은 완전한 DNA 회문을 즉시 생성할 수 있는 메커니즘을 설명하고 이전에 코딩되지 않은 DNA 서열에서 새로운 마이크로RNA 유전자를 생성함으로써 이 미스터리를 해결했습니다.

핀란드 아카데미가 자금을 지원하는 프로젝트에서 연구자들은 DNA 복제 오류를 연구했습니다. 프로젝트 리더인 Ari Löytynoja는 DNA 복제를 텍스트 입력에 비교합니다.

“DNA는 한 번에 한 염기씩 복사되며 일반적으로 돌연변이는 노트북 키보드의 잘못된 펀치와 같은 잘못된 단일 염기입니다. 우리는 다른 컨텍스트에서 텍스트를 복사하여 붙여넣는 것과 같이 더 큰 오류를 생성하는 메커니즘을 연구했습니다. 우리는 특히 사례에 관심이 있었습니다. 텍스트를 거꾸로 복사하여 회문을 만드는 것입니다.”

연구자들은 DNA 복제 오류가 때때로 유익할 수 있다는 것을 인식했습니다. 그들은 이러한 발견을 RNA 생물학 전문가인 Mikko Frilander에게 설명했습니다. 그는 즉시 RNA 분자 구조와의 연관성을 보았습니다.

“RNA 분자에서 인접한 회문의 염기는 쌍을 이루어 머리핀과 유사한 구조를 형성할 수 있습니다. 이러한 구조는 RNA 분자의 기능에 중요합니다.”라고 그는 설명합니다.

연구자들은 구조가 단순하기 때문에 microRNA 유전자에 초점을 맞추기로 결정했습니다. 유전자는 매우 짧으며(수십 개의 염기로 구성됨) 올바르게 기능하려면 머리핀 구조로 접혀야 합니다.

핵심 통찰력은 맞춤형 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 유전자 이력을 모델링하는 것이었습니다. 박사후 연구원인 헬리 몬티넨(Heli Mönttinen)에 따르면, 이것은 지금까지 유전자의 기원에 대한 가장 근접한 조사를 가능하게 한다고 합니다.

“수십 종의 영장류와 포유류의 전체 게놈이 알려져 있습니다. 이들의 게놈을 비교하면 어떤 종에 마이크로RNA 회문 쌍이 있고 어떤 종이 ​​없는지 알 수 있습니다. 역사에 대한 상세한 모델링을 통해 우리는 전체 회문이 단일에 의해 생성된다는 것을 알 수 있습니다. 돌연변이 사건이 발생했다고 Mönttinen은 말했습니다.

헬싱키 연구진은 인간과 다른 영장류에 초점을 맞춰 새로 발견된 메커니즘이 새로운 마이크로RNA 유전자의 최소 4분의 1을 설명할 수 있음을 입증했습니다. 다른 진화 계통에서도 비슷한 사례가 발견되었기 때문에 기원 메커니즘은 보편적인 것으로 보입니다.

원칙적으로 마이크로RNA 유전자의 출현은 매우 쉬워서 새로운 유전자가 인간의 건강에 영향을 미칠 수 있습니다. Heli Mönttinen은 예를 들어 생물학적 생명의 기본 원리를 이해하는 등 작업의 중요성을 더 광범위하게 봅니다.

“무에서 새로운 유전자의 출현은 연구자들을 매료시켰습니다. 이제 우리는 RNA 유전자의 진화에 대한 우아한 모델을 갖게 되었습니다.”라고 그녀는 강조합니다.

이번 결과는 작은 조절 유전자에 기초한 것이지만 연구자들은 이번 발견이 다른 RNA 유전자와 분자에도 일반화될 수 있다고 믿습니다. 예를 들어, 새로 발견된 메커니즘에 의해 생성된 원료를 사용함으로써 자연 선택은 훨씬 더 복잡한 RNA 구조와 기능을 생성할 수 있습니다.

이 연구는 PNAS.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231208133039.htm