RESEARCHERS FIND HUNDREDS OF NEW GENES IN THE HUMAN GENOME / I RICERCATORI TROVANO CENTINAIA DI NUOVI GENI NEL GENOMA UMANO
RESEARCHERS FIND HUNDREDS OF NEW GENES IN THE HUMAN GENOME / I RICERCATORI TROVANO CENTINAIA DI NUOVI GENI NEL GENOMA UMANO
Tiny genes that encode even tinier proteins could not be identified until recently because of their size. But a researcher in Denmark now thinks that the human genome has thousands of them.
In an international collaboration with Danish participation, researchers have examined the human genome with a fine comb and found hundreds of genes that are so small that they could not be discovered until now.
Advanced techniques and bioinformatic supercomputers that can process the unbelievably huge quantity of information in the human genome have enabled this genetic examination.
This research has provided the most complete overview of the genetic processes that enable us all to function well.
In addition, in experiments on human cells, the researchers also cleaved these potential genes to determine whether they are actually genes and, secondarily, whether they affect the survival potential of our cells.
“Until recently, genes that encode proteins that are less than 100 amino acids long could not easily be identified, and we therefore did not know whether the human genome has many or few genes smaller than that. However, determining how many genes there are and whether their function may be relevant to health is important for biomedical research,” explains Matthias Mann, Professor and Research Director, Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research, University of Copenhagen and Director, Max Planck Institute of Biochemistry, Munich, Germany.
The research has been published in Science.
The human genome had many fewer genes than expected
When the Human Genome Project finished mapping in 2004 (the initial data emerged in 2001), thousands of researchers had worked for more than 10 years, and the Project had cost 2.7 billion dollars.
The answer everyone anxiously hoped for was the definitive number of genes in the human genome: 80,000, 100,000 or maybe even 120,000?
When the article appeared in Nature, the result surprised everyone: a mere 20,000 genes – no more than in roundworms and fruit flies.
“Researchers realized then that the analysis methods used had some limitations, leaving the question of whether the genome has additional smaller genes and how many. The problem was that the analysis could not show whether the short genetic sequences were real genes or just noise from the techniques used to cleave and analyse the DNA,” says Matthias Mann.
Genes are DNA sequences with special properties
To elucidate this question, the researchers behind the new project deployed numerous tools to find genes that encode proteins of less than 100 amino acids, which had previously been the minimum detectable length.
The researchers mainly used bioinformatic techniques to compare many genomes.
This enabled them to determine that short sequences of DNA that are well conserved across many different genomes are probably genes that encode proteins.
In addition, the researchers also identified some more or less specific requirements for a genetic sequence to be classified as a gene.
“Translation of a gene must normally be initiated from a start codon, and then there are also some other requirements for sequences to be identified as real genes, but this is not always the case,” says Matthias Mann.
Microproteins drown in the background noise
The best way to verify whether a sequence is a gene is to find the protein the gene encodes.
However, this can be difficult for microproteins because the surroundings can mask their expression.
In the human proteome, these proteins appear as long sequences of amino acids against the background noise of many protein fragments.
These microproteins can disappear in the background noise, and confirming their existence is therefore difficult.
In addition, these microproteins can be difficult to find if they are not very frequent.
“But here too the techniques have improved, so that today we can find shorter proteins, which are expressed in smaller quantities,” explains Matthias Mann.
Matthias Mann contributed to the new research by analysing the proteins using mass spectrometry.
Many more human genes than previously thought
Overall, the researchers behind the new project used several genome and protein techniques to identify thousands of new potential genes.
In parallel, the researchers used systematic CRISPR-based screening to cleave the identified genes in human cells to determine whether they affect cell survival.
If cell growth was altered or the cells died, the researchers concluded that the genes encoded important proteins.
The researchers found hundreds of these types of new genes.
“There are at least several thousand genes that we have not yet identified, and we therefore probably need to increase the estimated number of genes in the human genome from 20,000 by thousands,” says Matthias Mann.
Genes affect the immune system and cell cycles
The researchers also investigated what many of the genes do in human cells.
They examined how the encoded proteins interact with other proteins in known protein complexes and the role of these proteins in signalling pathways.
For instance, the researchers labelled the proteins with fluorescent molecules to determine where they are located in the cell.
Some turned out to be present on the cell surface and others in the mitochondria, the cell’s power plants.
In a wider context, this study revealed that many of the newly discovered genes are important for the cell cycle, since they create proteins in specific processes.
A large group of proteins is also involved in determining how the immune system responds to foreign substances.
“It has taken 20 years to get here, but the amazing genetic and proteomic tools we now have available will finally enable us to examine the human genome at much higher resolution, and we will be able to discover many fascinating mechanisms that explain how our organism functions in sickness and in health,” says Matthias Mann.
ITALIANO
Piccoli geni che codificano per proteine ancora più piccole non potevano essere identificati fino a poco tempo fa a causa delle loro dimensioni. Ma un ricercatore in Danimarca ora pensa che il genoma umano ne abbia migliaia.
In una collaborazione internazionale con la partecipazione danese, i ricercatori hanno esaminato il genoma umano con un pettine fine e hanno trovato centinaia di geni così piccoli che non potevano essere scoperti fino ad ora.
Tecniche avanzate e supercomputer bioinformatici in grado di elaborare l'incredibilmente enorme quantità di informazioni nel genoma umano hanno permesso questo esame genetico.
Questa ricerca ha fornito la panoramica più completa dei processi genetici che consentono a tutti noi di funzionare bene.
Inoltre, negli esperimenti sulle cellule umane, i ricercatori hanno anche suddiviso questi potenziali geni per determinare se si tratta effettivamente di geni e, in secondo luogo, se influenzano il potenziale di sopravvivenza delle nostre cellule.
"Fino a poco tempo fa, i geni che codificano per proteine di lunghezza inferiore a 100 amminoacidi non potevano essere facilmente identificati, e quindi non sapevamo se il genoma umano ha molti o pochi geni più piccoli di quello. Tuttavia, determinare quanti geni ci sono e se la loro funzione può essere rilevante per la salute è importante per la ricerca biomedica ", spiega Matthias Mann, professore e direttore della ricerca, Centro di ricerca sulle proteine Novo Nordisk, Università di Copenaghen e direttore, Max Planck Institute di biochimica, Monaco, Germania.
La ricerca è stata pubblicata su Science.
Il genoma umano aveva molti meno geni del previsto
Quando il Progetto genoma umano ha terminato la mappatura nel 2004 (i dati iniziali sono emersi nel 2001), migliaia di ricercatori avevano lavorato per più di 10 anni e il Progetto era costato 2,7 miliardi di dollari.
La risposta che tutti speravano con ansia era il numero definitivo di geni nel genoma umano: 80.000, 100.000 o forse anche 120.000?
Quando l'articolo è apparso su Nature, il risultato ha sorpreso tutti: solo 20.000 geni - non più che nei nematodi e nei moscerini della frutta.
“I ricercatori hanno poi capito che i metodi di analisi utilizzati presentavano alcuni limiti, lasciando la questione se il genoma abbia ulteriori geni più piccoli e quanti. Il problema era che l'analisi non poteva mostrare se le brevi sequenze genetiche fossero geni reali o solo rumore proveniente dalle tecniche utilizzate per scindere e analizzare il DNA ", afferma Matthias Mann.
I geni sono sequenze di DNA con proprietà speciali
Per chiarire questa domanda, i ricercatori alla base del nuovo progetto hanno implementato numerosi strumenti per trovare geni che codificano per proteine di meno di 100 aminoacidi, che in precedenza era stata la lunghezza minima rilevabile.
I ricercatori hanno utilizzato principalmente tecniche bioinformatiche per confrontare molti genomi.
Ciò ha permesso loro di determinare che brevi sequenze di DNA ben conservate in molti genomi diversi sono probabilmente geni che codificano per le proteine.
Inoltre, i ricercatori hanno anche identificato alcuni requisiti più o meno specifici per una sequenza genetica da classificare come gene.
"La traduzione di un gene deve normalmente essere iniziata da un codone iniziale, e quindi ci sono anche altri requisiti per identificare le sequenze come geni reali, ma non è sempre così", afferma Matthias Mann.
Le microproteine affogano nel rumore di fondo
Il modo migliore per verificare se una sequenza è un gene è trovare la proteina codificata dal gene.
Tuttavia, questo può essere difficile per le microproteine perché l'ambiente circostante può mascherare la loro espressione.
Nel proteoma umano, queste proteine appaiono come lunghe sequenze di aminoacidi contro il rumore di fondo di molti frammenti di proteine.
Queste microproteine possono scomparire nel rumore di fondo e confermare la loro esistenza è quindi difficile.
Inoltre, queste microproteine possono essere difficili da trovare se non sono molto frequenti.
"Ma anche qui le tecniche sono migliorate, così oggi possiamo trovare proteine più corte, che sono espresse in quantità minori", spiega Matthias Mann.
Matthias Mann ha contribuito alla nuova ricerca analizzando le proteine usando la spettrometria di massa.
Molti più geni umani di quanto si pensasse in precedenza
Nel complesso, i ricercatori alla base del nuovo progetto hanno utilizzato diverse tecniche di genoma e proteine per identificare migliaia di nuovi potenziali geni.
Parallelamente, i ricercatori hanno utilizzato uno screening sistematico basato sul CRISPR per scindere i geni identificati nelle cellule umane per determinare se influenzano la sopravvivenza delle cellule.
Se la crescita cellulare è stata alterata o le cellule sono morte, i ricercatori hanno concluso che i geni codificavano proteine importanti.
I ricercatori hanno trovato centinaia di questi tipi di nuovi geni.
"Ci sono almeno diverse migliaia di geni che non abbiamo ancora identificato, e quindi probabilmente abbiamo bisogno di aumentare il numero stimato di geni nel genoma umano da 20.000 a migliaia", afferma Matthias Mann.
I geni influenzano il sistema immunitario e i cicli cellulari
I ricercatori hanno anche studiato cosa fanno molti geni nelle cellule umane.
Hanno esaminato il modo in cui le proteine codificate interagiscono con altre proteine in complessi proteici noti e il ruolo di queste proteine nelle vie di segnalazione.
Ad esempio, i ricercatori hanno etichettato le proteine con molecole fluorescenti per determinare dove si trovano nella cellula.
Alcuni si sono rivelati presenti sulla superficie cellulare e altri nei mitocondri, le centrali elettriche della cellula.
In un contesto più ampio, questo studio ha rivelato che molti dei geni appena scoperti sono importanti per il ciclo cellulare, poiché creano proteine in processi specifici.
Un grande gruppo di proteine è anche coinvolto nel determinare come il sistema immunitario risponde a sostanze estranee.
"Ci sono voluti 20 anni per arrivare qui, ma gli incredibili strumenti genetici e proteomici che abbiamo ora disponibili ci consentiranno finalmente di esaminare il genoma umano a una risoluzione molto più elevata e saremo in grado di scoprire molti meccanismi affascinanti che spiegano come il nostro organismo funziona nella malattia e nella salute ", afferma Matthias Mann.
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