Science：垃圾DNA的大作用
日期：2016-03-07 09:59:32
大約8%的人類DNA起源于病毒：是我們的祖先與傳染性病毒之間古老斗爭的殘留物。這些所謂的內源性病毒常常被認為是沒有明確生物學意義的垃圾DNA。但來自美國猶他大學醫學院的科學家們在一項新研究中證實，進化改變其中一些病毒殘余物的用途，使之成為了對付病毒自身的武器。
在發表于3月4日《科學》（Science）雜志上的論文中，科學家們報道稱發現嵌入在我們基因組中的一些病毒DNA片段調控了作為我們先天免疫系統基本元件的一些基因。先天免疫系統是機體對抗包括病毒在內的一些病原體的第一道防線。當采用實驗方法除去其中的一些外源序列片段時，防御系統會遭到嚴重破壞。
共同資深作者、人類遺傳學副教授Cédric Feschotte博士說：“我們證實，其中的一些內源性病毒塑造了我們的生物學。在哺乳動物基因組內病毒DNA儲存庫推動了先天免疫系統更新。”
人類先天免疫系統對抗外源入侵物的能力依賴于一種協調的反應。在受到感染時，細胞會釋放干擾素來發出無聲警報，這一分子信號會觸發鄰近細胞激活由成千上百個基因構成的兵工廠來對抗入侵物。通過分析公開可用的人類細胞基因組數據集，作者們發現干擾素似乎激活了成千上萬的內源性逆轉錄病毒（ERV）。由于這些逆轉錄病毒是在數百萬年前緊急插入到我們的基因組中，它們早就喪失了生成感染性病毒顆粒的能力。它們在基因組中的定位提供了有關這些干擾素誘導元件現代潛在功能的線索。并非隨機分布，它們富集在一些已知在免疫中發揮功能的基因附近。
Feschotte說：“這是第一個證據向我們表明了，其中的一些元件真的參與了開啟免疫基因。”Feschotte與人類遺傳學副教授Nels Elde是這篇論文的共同資深作者、博士后Edward Chuong是論文的主要作者。
為了測試病毒DNA片段是否確實對免疫至關重要，科學家們采用了基因編輯工具CRISPR/Cas9在細胞培養物中逐個刪除一些病毒序列，這些序列都定位在已知免疫基因的附近。在缺乏外源序列的突變細胞中，鄰近免疫基因不能響應干擾素正確地開啟，證實它們充當了病毒源性開關。此外，當用病毒感染AIM2免疫反應基因附近缺失病毒DNA元件的細胞時，它們實施有效免疫反應的能力顯著下降。綜上所述，結果表明古老的病毒DNA對于啟動對抗當代病毒感染的正確防御極為重要。
由于相似的病毒源性開關嵌入在許多免疫基因的附近，表明它們一起幫助協調了我們的細胞防御。“干擾素反應就像是細胞的報警系統。我們發現在這一系統中最重要的一些開關實際源自古老的病毒，”Chuong說。該研究還找到了其他的內源性逆轉錄病毒各自“連接”其他哺乳動物干擾素反應的線索，這有可能指出了一個廣泛的物種特異性免疫反應機制。
Elde說：“先天免疫系統改造其中的一些病毒殘留物有可能并非偶然。”快速進化及改變入侵策略的病原體不斷地挑戰著免疫防御。為了跟上它，進化簡單地重組了過去病毒提供的遺傳物質。”
“許多病毒最初是作為病毒復制過程的一個組成部分進入到我們的基因組。進化過程扭轉了局勢讓我們受益。”
長期以來，內源性逆轉錄病毒一直被視作是我們基因組中沒有用的DNA，是我們進化旅程的一個附帶結果。近年來的一些研究開始逆轉這種錯誤的認知。
2014年12月，諾貝爾獎得主、德克薩斯大學西南醫學中心宿主防御遺傳學中心主任及教授Bruce Beutler博士領導研究人員證實，內源性逆轉錄病毒也在機體對常見細菌和病毒病原體的免疫防御中發揮了至關重要的作用。
來自瑞典隆德大學的一項新研究表明，有著數百萬年歷史的遺傳病毒在構建人類大腦特征性的復雜網絡中發揮了重要的作用。這一研究發現發表在2015年1月的Cell Reports雜志上。
2015年3月，新加坡A*STAR基因組研究所（GIS）的研究人員發現，來自古病毒、被認為無用的ERV，可能有助于人類生命周期最早的細胞類型。這些新發現的病毒元素可用于確定胚胎干細胞的新類型，從而為了解人類發展和疾病打開了更多的可能性。
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