Un nou instrument computațional simulează evoluția genelor săritoare
Un genom conține tot ADN-ul fiecărui organism viu, dar conținutul său nu se oprește aici – majoritatea acestor structuri includ fragmente de ADN care se pot copia și lipi pentru a „infecta” un genom, extinzându-i dimensiunea.
De ce se întâmplă acest lucru rămâne o enigmă.
Cercetătorii au dezvoltat un nou instrument computațional care lucrează de la un punct ancestral inferat și evoluează spre genomul modern pentru a urmări dinamica inserțiilor și ștergerilor acestor „gene săritoare”, cunoscute sub numele de elemente transpozabile.
O echipă de la Universitatea de Stat din Ohio, care studiază modul în care elementele transpozabile, denumite și transpozoane sau TEs, ar fi putut modifica funcțiile genelor de-a lungul timpului, caută cea mai bună metodă de a urmări acea istorie evolutivă, motiv pentru care au creat simulatorul necesar pentru a realiza acest lucru.
Pe o scală temporală de milioane sau zeci de milioane de ani, activitatea transpozoanelor este foarte densă. Există multe inserții și ștergeri de transpozoane în genom și din genom.
„Vrem să folosim amprenta acelei activități pentru a studia ce s-ar fi putut întâmpla în trecut, pentru că nu vom ști niciodată cu siguranță, dar putem deduce ce ar putea fi cazul în ceea ce privește activitatea transpozoanelor”, a declarat Shujun Ou.
Primele lor descoperiri dintr-un studiu de caz pe genomuri fungice sugerează că exploziile de inserții TEs au fost urmate de ștergeri, indicând faptul că ciuperca a reacționat pentru a suprima inserțiile suplimentare.
Ou și colegii săi descriu simulatorul PrinTE în publicația din data de 2 noiembrie 2026, în Nature Communications.
Genomul porumbului este poate cel mai cunoscut exemplu al efectului transpozoanelor asupra expansiunii genomului: până la 85% din genomul său este format din gene săritoare, a spus Christopher Benson, autor principal al studiului și cercetător postdoctoral în laboratorul lui Ou.
„Acestea sunt componente mari ale unui genom care poate că nu au un impact notabil, dar există. Ele funcționează în fundal în moduri pe care încercăm încă să le înțelegem”, a spus Benson.
„Dar un lucru pe care îl fac este să influențeze evoluția dimensiunii genomului, pentru că ele se inserează adesea printr-un mecanism de copiere și lipire. Ai copia originală și copia duplicată. Așadar, dacă faci asta de multe ori, obții un genom cu adevărat imens.”
Această fenomen este cunoscut sub numele de paradoxul dimensiunii genomului: plante cu diferențe majore în dimensiunea genomului funcționează în aceeași manieră.
„Există vreo valoare în a avea un genom mai mare sau mai mic? Este paradoxal, pentru că, dacă dimensiunea genomului este importantă, plantele cu genomuri mai mari ar trebui să aibă o funcție reală mai complexă sau o structură mai complicată”, a spus Ou. „Dar în observație, nu o fac.”
Ou și Benson au proiectat PrinTE ca o îmbunătățire a unui instrument anterior numit TEGenomeSimulator, care oferă o imagine de ansamblu asupra infecției cu transpozoane a unui genom într-un singur punct în timp. Laboratorul lui Ou a colaborat cu creatorii din Noua Zeelandă ai TEGenomeSimulator, care sunt coautori ai lucrării.
Studiul de caz s-a concentrat pe subdiviziunea fungică care include specia myrtle rust, a cărei genom a crescut la 1 miliard de perechi de baze – enorm de mare pentru standardele fungice – din cauza inserțiilor de transpozoane. Începând cu genomul său actual, echipa a reconstruit un genom de la un strămoș comun teoretic, a formulat o varietate de modalități prin care genomul ancestral ar putea evolua în genomul actual și a realizat simulări pentru a testa aceste predicții.
„Vom rula simulatorul înainte pentru a încerca să creăm ciuperca din prezent. Uneori, sunt necesare mii de simulări pentru a găsi cea care se potrivește cel mai bine, dar acest lucru ne permite să testăm acele ipoteze pe care le-am analizat, dar nu le-am abordat în profunzime”, a spus Benson.
Pentru că simularea acoperă milioane de generații de evoluție, PrinTE a construit o protecție pentru a detecta și termina traiectoriile care se îndreaptă în direcția greșită pentru a maximiza eficiența.
„Începerea unei simulări este ca și cum ai merge în întuneric”, a spus Ou, „pentru că vedem doar rezultatul, dar nu știm ce s-a întâmplat în trecut. Există chiar momente când ne îndreptăm în direcția greșită. Așadar, folosim învățarea automată pentru a ne ghida să mergem în direcția corectă sau mai aproape de direcția corectă.”
Simulările pe myrtle rust au arătat că rata de inserție a TEs era de 4 până la 5 ori mai mare decât rata de ștergere, provocând un genom excesiv de mare, iar aceste explozii au fost apoi urmate de o scădere a inserțiilor, ceea ce este un semn al controlului mai strict al activității TEs.
„Descoperirea sugerează că TEs inserate pot fi în cele din urmă eliminate de gazdă pentru a suprima activitatea lor – asemănător cu modul în care sistemul imunitar are nevoie de timp pentru a răspunde unei infecții”, a spus Benson.
„O concluzie principală din această lucrare este că cea mai eficientă modalitate de a controla dimensiunea genomului este de a nu avea nicio infecție în primul rând”, a spus Ou.
El a adăugat că acest lucru oferă un standard de excelență pentru înțelegerea istoriei evolutive a transpozoanelor și ar putea deschide, într-o zi, ușa pentru salvarea genomică pentru a încetini activitatea TEs sau a elimina TEs în specii care se luptă să supraviețuiască.
Instrumentul disponibil public a fost deja utilizat de oameni de știință care studiază alte sisteme.
