PNAS:實時觀察“跳躍基因”的活動
日期：2016-06-15 09:07:58
“跳躍基因”無處不在。每個生命領(lǐng)域都攜帶這些DNA序列，它們沿著一條染色體從一個位置“跳”到另一個位置；事實上，有接近一半的人類基因組是由跳躍基因組成的。根據(jù)它們特定的切除和插入點，跳躍基因可能中斷或引發(fā)基因表達(dá)，從而驅(qū)動基因突變，并導(dǎo)致細(xì)胞的多樣化。自從上個世紀(jì)40年代它們被發(fā)現(xiàn)以來，研究人員已經(jīng)能夠研究這些跳躍基因的行為，它們通常被稱為轉(zhuǎn)座子或轉(zhuǎn)座因子(TE)，科學(xué)家主要通過間接方法，從大部分結(jié)果推斷出單個跳躍基因的活動。然而，這樣的技術(shù)不夠敏感，不能準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)座子如何或為什么跳躍，以及什么因素引發(fā)了它們的活動。
6月13日在《PNAS》雜志發(fā)表的一項研究中，美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校的科學(xué)家們，實時觀察到了活細(xì)胞內(nèi)的跳躍基因活動。這項研究是美國國家科學(xué)基金會物理前沿中心活細(xì)胞物理中心的物理學(xué)教授Thomas Kuhlman和Nigel Goldenfeld合作完成的。
Kuhlman的研究團(tuán)隊進(jìn)行了體內(nèi)實驗，他指出：“在這項研究中，較之以前的研究，我們看到了比預(yù)期更多的跳躍基因正在活動。更重要的是，我們發(fā)現(xiàn)這些基因跳躍的頻率，敏感地依賴于細(xì)胞如何生長——例如是否有可用的食物讓細(xì)胞生長。換句話說，跳躍基因激活并不是完全隨機(jī)的，它依賴于環(huán)境的反饋。”
為了在活細(xì)胞中觀察這些獨特的細(xì)胞進(jìn)化事件，Kuhlman的團(tuán)隊設(shè)計了一個使用大腸桿菌的合成生物學(xué)系統(tǒng)。科學(xué)家們把編碼熒光蛋白（在這項研究中，是藍(lán)色和黃色熒光蛋白）的報告基因的表達(dá)，與轉(zhuǎn)座子的跳躍活動結(jié)合起來。然后，科學(xué)家們可以使用熒光顯微鏡直觀地記錄轉(zhuǎn)座子的活動。
Kuhlman說：“這些基因在一個細(xì)胞的基因組內(nèi)跳躍和改變位置。這種活動相當(dāng)于一個分子系統(tǒng)，這樣，當(dāng)它們開始跳躍時，整個細(xì)胞會發(fā)出熒光。在我們的實驗中，細(xì)胞在它們不太高興的時候發(fā)出最多的熒光。一種學(xué)派表明，在這種不快樂的情況下，這樣一種增加的突變率，對多樣化的細(xì)胞來說可能是一個優(yōu)勢。”
為了幫助設(shè)計實驗，并推斷“如果跳躍以一種純粹隨機(jī)的模式發(fā)生時會是什么情況”，Goldenfeld的研究團(tuán)隊開發(fā)了細(xì)菌菌落生長的計算機(jī)模擬，并預(yù)測在隨機(jī)的情況下實驗信號會是什么樣子。這些計算表明，實驗不能僅僅被理解為隨機(jī)轉(zhuǎn)座子活動，甚至能提供非隨機(jī)性來源的線索，包括環(huán)境反饋和遺傳。
Goldenfeld說：“我們的工作涉及大量的計算圖像分析，其次是統(tǒng)計分析。為了從原始數(shù)據(jù)中提取信號和結(jié)論，模擬和理論計算對于實驗設(shè)計和解釋是很很重要的。只有利用活細(xì)胞物理學(xué)中心提供的獨特結(jié)構(gòu)，才使得這類合作項目成為可能。”
Kuhlman補充說：“最首要的長期研究目標(biāo)是，在分子水平上深入了解進(jìn)化是如何運作的。直接觀察細(xì)胞內(nèi)的基因組如何重組自我，可讓我們精確測定適應(yīng)率，并可能揭示了一系列重要的進(jìn)化問題——從生命的出現(xiàn)到癌癥的傳播，在這些過程中細(xì)胞經(jīng)歷了快速突變，并轉(zhuǎn)換了它們的基因組。”
關(guān)于“跳躍基因”，早在2013年就有研究人員采用一種新方法，在其行動時捕捉神出鬼沒的“跳躍基因”，他們發(fā)現(xiàn)一種DNA類型利用了兩個人類蛋白進(jìn)行自我復(fù)制以及從一個地方移動至另一個地方。這一研究發(fā)現(xiàn)使得研究人員突破性地認(rèn)識到，驅(qū)使遷移至人類基因組新區(qū)域的跳躍基因，與致力于限制這樣的不穩(wěn)定DNA片段所帶來的風(fēng)險的細(xì)胞之間存在著軍備競賽。
2015年5月，來自法國國家健康與醫(yī)學(xué)研究院病理學(xué)實驗室的研究人員，與法國CEA-Saclay和美國一個實驗室合作，確定了兩種蛋白質(zhì)之間的相互作用，是一個轉(zhuǎn)座子整合到酵母基因組中一個特定區(qū)域所必不可少的。這些研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志，強調(diào)了這些可移動DNA序列在生物進(jìn)化與適用中的作用，及其對于基因治療的潛在價值。
另外，密西根大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊在2015年11月的Molecular Cell雜志上發(fā)表文章指出，沒有尾巴的轉(zhuǎn)座子無法進(jìn)行有效的跳躍。這項研究解決了轉(zhuǎn)座子跳躍的重要問題，有助于限制反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子LINE-1的行動。
