PNAS破解新物種進化的難題
日期：2016-05-24 09:43:26
經過將近5000億次的嘗試，美國德克薩斯大學（UT）奧斯汀分校的研究人員，見證了一個罕見的事件，也許解決了一個進化的難題：內含子——位于基因中的非編碼DNA序列，在基因組中是如何增加的。研究結果發表在《PNAS》雜志上，解決了關于新物種進化的基本問題，并可以增進我們對于“基因表達以及癌癥等疾病的原因”的理解。
分子生物科學副教授Scott Stevens說：“直到現在，研究人員可以跟蹤內含子進化的唯一方法是，通過系統進化分析，檢測相關生物組之間的進化關系。我們的工作第一次通過實驗驗證，表明內含子如何可以被調入一個有機體內。”
很長一段時間以來，科學家們已經知道，在任何給定的生物體基因組中，大部分的DNA不編碼功能分子或蛋白質。然而，最近的研究發現，這些基因序列——在過去被誤稱為“垃圾”DNA，卻往往有著有功能意義。例如，2015年12月在《Journal of Neuroscience》發表的一項研究表明，阻斷一種被稱為“垃圾DNA”所產生的RNA，可以阻止中風后一部分重要神經的破壞（垃圾DNA不再垃圾 有重要作用）。今年3月份，來自美國猶他大學醫學院的科學家們在《Science》發表的一項新研究中證實，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。
這些內含子也不例外。現在，已知內含子在基因表達中發揮作用，它們是一部分基因序列，在基因翻譯成蛋白質之前被從RNA上去掉或移除。當真核生物首次與細菌發生分化，有大規模的內含子入侵到基因組中。所有活著的真核生物——從酵母到哺乳動物——都分享這共同的祖先，而像酵母這樣的簡單生物，移除了其大部分的內含子，像哺乳動物這樣的生物已大大擴充了內含子庫存。人類有超過200000個內含子，占據基因組的大約40%。
在當前的研究中，Stevens與UT奧斯汀分校前研究生Sujin Lee，使用一種新的報告實驗，直接檢測芽酵母(釀酒酵母)中的內含子的得失。該研究團隊測試了近5000億個酵母，發現只有兩個例子中內含子被添加到一個新的基因。這種添加的機制，是一個剪接反應的逆轉。
通常，為了制造蛋白質，RNA從DNA中讀取指令，跳過內含子中包含的代碼。但是在這兩種情況下，細胞讀取相反方向的DNA，并允許內含子將其制成RNA，因此創建了一個永久的遺傳變化。這些被稱為內含子獲得，如果隨著時間的推移進行積累，它們可能導致新物種以及人類疾病的發展。
Stevens說：“我們在這個項目中發現，內含子繼續增加，盡管在任何時間點上很少發生。但是，內含子可以驅動進化嗎？如果這些序列給生物一種選擇性優勢，并固定在一個種群中，其他人已經表明，它可能就是創造新物種的一個主要因素。”
然而，這些進化進步也是要付出代價的，因為癌癥這樣的疾病，與內含子從RNA的不當去除有關。Stevens補充說：“我們正在繼續這項工作，以進一步了解這個過程如何影響我們的遺傳歷史、我們的未來和治愈疾病的前景。”
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