Trotz einer Milliarde Jahre Evolution, die die Menschen von der Bäckerhefe in ihren Kühlschränken trennt, leben Hunderte von Genen eines Vorfahren, die die beiden Arten gemeinsam haben, in beiden nahezu unverändert weiter, sagen Biologen der University of Texas at Austin. Das Team erschuf gedeihende Stämme gentechnisch veränderter Hefen unter Verwendung menschlicher Gene und stellte fest, dass bestimmte Gruppen von Genen im Laufe der Evolution überraschend stabil sind.
Die Forschung, die am 22. Mai in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, ebnet den Weg für die Verwendung von humanisierter Hefe, um genetische Störungen besser zu verstehen und Medikamente zur Behandlung der Krankheiten zu untersuchen.
Obwohl Hefe aus einer einzigen Zelle besteht und Menschen Billionen von Zellen haben, die in komplexen Systemen organisiert sind, teilen wir Tausende ähnlicher Gene. Davon sind etwa 450 entscheidend für das Überleben der Hefe, also entfernten die Forscher die Hefeversion von jeder und ersetzten sie durch die menschliche Version und warteten, ob die Hefe sterben würde. Die Schaffung Hunderter neuer Hefestämme mit jeweils einem einzigen menschlichen Gen führte zu vielen neu konstruierten Stämmen – fast die Hälfte davon – die überleben und sich vermehren konnten, nachdem menschliche Gene gegen ihre gewöhnlichen ausgetauscht wurden.
"Zellen verwenden einen gemeinsamen Satz von Teilen und diese Teile sind selbst nach einer Milliarde Jahren unabhängiger Evolution austauschbar", sagte Edward Marcotte, Professor am Department of Molecular Biosciences der Universität und Co-Direktor des Center for System- und Synthetische Biologie (CSSB). „Es ist eine schöne Demonstration des gemeinsamen Erbes aller Lebewesen – in der Lage zu sein, DNA von einem Menschen zu nehmen und die passende DNA in einer Hefezelle zu ersetzen und sie erfolgreich das Leben der Zelle unterstützen zu lassen."
Die Arbeit hat Anwendungen für die menschliche Gesundheit, da einige genetische Krankheiten, die durch Mutationen verursacht werden, auf neue Weise getestet werden könnten. Zukünftige Studien könnten verschiedene Stämme humanisierter Hefe mit jeweils leicht unterschiedlichen Versionen desselben menschlichen Gens vergleichen, um besser zu verstehen, wie sich bestimmte Mutationen auf die Gesundheit einer Person auswirken. Forscher könnten auch genaue Versionen einer menschlichen Genmutation in Hefe einführen und die Hefe dann verschiedenen Medikamenten aussetzen, um neue Therapien zu testen.
"Wir könnten herausfinden, ob eine der Standardbehandlungen bei Ihrer speziellen Version des Gens wirken würde oder ob vielleicht ein anderes Medikament noch besser wäre", sagt Claus Wilke, Professor am Lehrstuhl für Integrative Biologie und Co -Autor der Arbeit.
Marcotte spekuliert, dass es weitere etwa 1.000 Paare austauschbarer Gene zwischen Mensch und Hefe geben könnte. Zusammen mit den etwa 200 bereits identifizierten austauschbaren Genen könnten diese bei der Suche nach Medikamenten zur Behandlung einer Vielzahl menschlicher Erbkrankheiten nützlich sein.
Diese Art von Genaustausch-Experiment zwischen Mensch und Hefe wurde bereits für einzelne Gene durchgeführt, aber dies ist die erste groß angelegte Studie, bei der Hunderte von Genpaaren ausgetauscht werden. Die große Anzahl von Tests ermöglichte es Teammitglied Jon Laurent, einem Doktoranden am CSSB und Co-Autor des Artikels, nach den zugrunde liegenden Regeln dafür zu suchen, was ein Gen austauschbar macht.
Überraschenderweise war der beste Indikator dafür, ob zwei Gene erfolgreich ausgetauscht werden konnten, nicht, wie ähnlich ihre genetischen Sequenzen waren, sondern vielmehr, zu welchen Modulen sie gehörten. Ein Modul ist eine Gruppe von Genen, die zusammenarbeiten, um etwas Nützliches zu tun, wie zum Beispiel Cholesterin zum Aufbau von Zellwänden zu produzieren. Alle Gene aus demselben Modul waren entweder zwischen Mensch und Hefe austauschbar oder nicht.
"Diese Arbeit zeigt im Grunde, dass Sie eine Einspritzdüse von einem Traktor nehmen und gegen eine Einspritzdüse in Ihrem Toyota austauschen können, und es wird immer noch funktionieren, mehr oder weniger, weil es sich bei beiden um Einspritzdüsen handelt, " sagte Marcotte.
"Der aufregende Teil ist, dass wir diese Informationen jetzt verwenden können, um ganze Systeme mit Dutzenden von Genen gleichzeitig auszutauschen und zu fragen, ob dieses System so gut funktioniert wie das natürliche System in Hefe", sagt Aashiq Kachroo, Postdoktorand im CSSB und Co-Autor des Artikels. „Das wird spannend, denn jetzt schauen wir uns nicht nur ein Gen an, sondern 30 verschiedene Gene eines Menschen in einer einfachen Zelle.“
