Exobiologie? Bakterielle RNA kodiert neue Gene und bricht damit das zentrale Dogma

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Jiang Xuan (PhD in Biologie)

Hersteller: China Science Expo

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In der Geschichte der menschlichen Entschlüsselung genetischer Informationen schlug Francis Crick 1957 erstmals das zentrale Dogma vor und konstruierte einen Rahmen für die Reihenfolge, in der genetische Informationen zwischen biologischen Makromolekülen übertragen werden: DNA → RNA → Protein.

Nach diesem Gesetz kann sich DNA selbst replizieren und fungiert gleichzeitig als Genvorlage, wird in RNA transkribiert und RNA wird dann in Protein übersetzt. Dieser Prozess der genetischen Informationsübertragung ist einseitig. Bei RNA-Viren wird RNA als Vorlage für die Selbstreplikation verwendet, und die reverse Transkriptase kann RNA in DNA rücktranskribieren, was der üblichen Richtung der genetischen Informationsübertragung entgegengesetzt ist.

Vor kurzem hat diese Geschichte eine neue Wendung genommen. Die Wissenschaftler Stephen Tang und Samuel H. Sternberg von der Columbia University in den USA haben erstmals entdeckt, dass eine bakterielle Reverse Transkriptase durch Rolling-Circle-Reverse-Transkription (RCRT) RNA als Vorlage verwendet, um an der Synthese neuer proteinkodierender Gene teilzunehmen.

Im Gegensatz dazu erzeugt die virale reverse Transkriptase keine neuen Gene; Es überträgt lediglich genetische Informationen von RNA auf DNA. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Entdeckung das traditionelle Paradigma in Frage stellt, wonach genetische Informationen unidirektional entlang der genomischen DNA übertragen werden.

Über diese Forschung wurde auf der Website „Nature“ berichtet. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Studie derzeit auf der Website für biologische Preprints bioRxiv veröffentlicht ist und noch auf die Ergebnisse der Peer-Review wartet.

Bakterielles Immunsystem wehrt Phageninfektion ab

Gegenstand dieser Studie ist das abwehrassoziierte Reverse-Transkriptase-System (DRT) , das in 9 Untergruppen (DRT1-9) unterteilt wird. Frühere Experimente haben gezeigt, dass das DRT-System eine wichtige Rolle beim Schutz vor einer Infektion durch Bakteriophagen spielt, einer Art von Viren, die Bakterien infizieren.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf das DRT2-System von Klebsiella pneumoniae, dessen Resistenzmechanismus gegen eine Phageninfektion noch unklar ist. Diese Untergruppe hat eine einfache Struktur und enthält ein Gen, das die reverse Transkriptase kodiert, und eine nicht-kodierende RNA (ncRNA), wobei für letztere bisher keine eindeutige Funktion gefunden wurde. Warum also hat DRT2 die Funktion, Phagen abzuwehren? Da die Funktion der reversen Transkriptase darin besteht, RNA-Sequenzen in komplementäre DNA (cDNA) umzuwandeln, stellten die Forscher eine Hypothese auf: Das durch die reverse Transkriptase synthetisierte cDNA-Produkt könnte eine wichtige Rolle bei der Verhinderung einer Phageninfektion spielen.

Schematische Darstellung des Forschungsmechanismus: Diese Studie enthüllt den Mechanismus, mit dem DRT2 einer Phageninfektion widersteht

(Bildquelle: Referenz 1)

„Unendliche offene Leserahmen“

Ein Teil der ncRNA-Kette des DRT2-Systems ist komplementär zu einem anderen Teil der Basenpaarung, um einen doppelsträngigen „Griff“ zu bilden, während der ungepaarte Teil eine „Schleife“ bildet. Das Gesamterscheinungsbild ähnelt einer Haarnadel, man spricht von einer Haarnadelstruktur. Die reverse Transkriptase verwendet ncRNA als Vorlage für cDNA, umkreist wiederholt den Anfang und das Ende des kreisförmigen Teils der Haarnadelstruktur, führt kontinuierlich eine reverse Transkription durch und kopiert dieselbe RNA-Sequenz mehrere Male in cDNA. Dieser einzigartige Prozess, Rolling-Circle-Reverse-Transkription genannt, erzeugt eine tandemartig wiederholte einzelsträngige cDNA-Sequenz.

Interessanterweise können die einzelnen cDNA-Fragmente, die durch reverse Transkription erzeugt werden, keine Proteine ​​kodieren. Eine Proteinsynthese ist nur möglich, wenn sie eine kontinuierliche, wiederholte Sequenz bilden. Dies liegt daran, dass dem einzelnen Fragment das Startcodon fehlt, das den Ausgangspunkt der Translation markiert (ATG auf DNA, AUG in der entsprechenden mRNA-Sequenz). Wenn das Ribosom das Startcodon nicht erkennen kann, wird die Proteinsynthese nicht eingeleitet. Nach einer Runde der cDNA-Generierung trennt sich die neu generierte cDNA-Kette von der Vorlage und ihr Ende bindet erneut an den vorgelagerten Bereich der Startstelle der Vorlage, wodurch an der Verbindungsstelle der beiden Wiederholungen eine zusätzliche Base entsteht. Dieser Prozess führt nach jeweils drei Runden der reversen Transkription zur Erzeugung eines Startcodons und leitet dadurch die Proteinsynthese ein.

Die Fragmente der repetitiven Sequenz, die die Proteinsynthese kodieren, werden als offene Leserahmen (ORF) bezeichnet. Dieser ORF ist etwas ganz Besonderes, da er nur ein Startcodon und kein Stopcodon hat. Theoretisch könnte diese Sequenz ein Protein von unbegrenzter Länge kodieren. Daher nannte das Forschungsteam die Sequenz „neo“, was „nie endender offener Leserahmen“ bedeutet.

Außerirdische Biologie

Sobald der Phage Bakterien infiziert, löst er die Synthese des zweiten cDNA-Strangs aus, um eine doppelsträngige DNA-Sequenz zu bilden, die dann transkribiert wird, um eine große Anzahl von mRNAs unterschiedlicher Länge zu produzieren und in Neo-Proteine ​​übersetzt wird.

Es sind diese Neo-Proteine, die das Bakterienwachstum schnell stoppen und sie in einen programmierten Ruhezustand versetzen. Dadurch verhindern sie die Replikation, Vermehrung und Verbreitung von Bakteriophagen und spielen eine Rolle beim Schutz der Bakterienpopulation. Die Alpha-Helix-Sekundärstruktur des Neo-Proteins ist für seine Funktion von entscheidender Bedeutung. Eine Störung dieser Helixstruktur würde die toxischen Wirkungen von Neo verhindern.

Diese Arbeit enthüllt einen beispiellosen antiviralen Immunmechanismus des DRT2-Abwehrsystems. Dieser Mechanismus enthüllt das komplexe Umwandlungsverhalten genetischer Informationen zwischen DNA- und RNA-Trägern und erweitert unser neues Verständnis des zentralen Dogmas.

Darüber hinaus stellt es das Paradigma in Frage, dass Gene linear entlang von Sequenzen kodiert werden, und erhöht die Komplexität der Proteinkodierung in Genomsequenzen. „Das sieht aus wie die Biologie einer außerirdischen Spezies“, schrieb Israel Fernandez, ein Computerchemiker an der Complutense-Universität Madrid, in X.

Die Entdeckung, dass RNA Gene von Grund auf neu erschaffen kann, ist augenöffnend und könnte unsere Sicht auf das Genom verändern. Möglicherweise warten im menschlichen Genom noch weitere atypische proteinkodierende Gene wie Neo darauf, entdeckt zu werden. Ein weiteres bakterielles Abwehrsystem, das CRISPR/Cas-System, hat sich zu einem wichtigen Werkzeug zur Genomeditierung entwickelt. Es ist spannend zu sehen, ob Forscher auf der Grundlage des DRT-Systems neue genetische Werkzeuge entwickeln können und welche neuen Veränderungen es für die Biologie mit sich bringen kann.

Quellen:

[1]Tang, Stephen, et al. „De novo-Gensynthese durch eine antivirale reverse Transkriptase.“ bioRxiv (2024): 2024-05.

[2]Callaway, Ewen. „Bizarre Bakterien trotzen den Lehrbüchern, indem sie neue Gene schreiben.“ Natur (2024).