華人科學(xué)家PNAS探討“垃圾”DNA的新功能

日期：2011-03-03 16:48:11

所有動物都有大量冗余的垃圾DNA，它們和其他DNA一樣，都是遺傳材料，但不能編碼用于建造動物身體、加速細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。在我們的基因圖譜中，實際上只有2%的DNA能夠編碼蛋白質(zhì)。1972年，已故遺傳學(xué)家大野乾(Susumu Ohno)發(fā)明了“垃圾DNA”這個術(shù)語，用以表述所有不能編碼蛋白質(zhì)的DNA片段，其中大多數(shù)片段都是一些重復(fù)序列，隨機(jī)散步在整個基因組上，一般而言，垃圾DNA片段是通過轉(zhuǎn)座產(chǎn)生的，也就是說，一個DNA片段轉(zhuǎn)移到了基因組的其他區(qū)域。因此，在這些區(qū)域一般都有多個轉(zhuǎn)座子。

以前大家都認(rèn)為垃圾DNA可能沒有什么功能，但是越來越多的研究表明它們并非百無一用。近日來自愛荷華大學(xué)卡佛醫(yī)學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)一種特殊的DNA重復(fù)片段——Alu元件插入到基因中，它們可以改變蛋白質(zhì)生成的速率，從而導(dǎo)致了不同物種中不同生物學(xué)特性的進(jìn)化。這一研究結(jié)果發(fā)表在了國際著名期刊《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

“基因組重復(fù)元件為生成新的進(jìn)化特性提供了條件，”論文的資深作者、愛荷華大學(xué)卡佛醫(yī)學(xué)院及愛荷華大學(xué)工程學(xué)院內(nèi)科系和生物醫(yī)藥系的助理教授Yi Xing博士說：“了解這些元件發(fā)揮功能的機(jī)制可使我們更深入地認(rèn)識促成人類獨特性狀的遺傳學(xué)機(jī)制。”

Alu元件大約是在6000萬年前隨靈長動物的進(jìn)化而出現(xiàn)的一種特殊的DNA重復(fù)序列。其他的哺乳動物基因組中不存在有Alu元件。在人類基因組中Alu元件是最常見的一種可移動DNA，并能夠跳躍至基因組序列的其他位置。當(dāng)他們插入到包含基因區(qū)域時，這些元件有可能轉(zhuǎn)變?yōu)樾峦怙@子。盡管在十幾年前科學(xué)家們就明確Alu元件是人類基因組中新外顯子的重要來源，但是一直也無法確定這些新外顯子是否真正具有重要的生物功能。

“現(xiàn)在還很難講這些Alu衍生的外顯子在全基因組水平上發(fā)揮了什么作用，”Yi Xing說：“我們的新研究表明它們確實產(chǎn)生了效應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)這些Alu元件改變了mRNA翻譯為蛋白質(zhì)的效率從而影響了蛋白質(zhì)生成。”

Yi Xing指出在其他情況下蛋白質(zhì)生成速率的改變通常可導(dǎo)致疾病發(fā)生，這意味著影響蛋白質(zhì)生成這一機(jī)制極可能會對生物體的特性產(chǎn)生重要的影響。

“這或許不是人類與其他靈長類動物之間產(chǎn)生差異的唯一機(jī)制，但我們的研究結(jié)果表明由Alu元件生成新外顯子是導(dǎo)致這些差異的一個重要過程，”Yi Xing說。

在這一研究中，愛荷華大學(xué)的研究人員利用一種稱為高通量RNA測序的新技術(shù)分析了來自人類小腦的1.2億個RNA序列，進(jìn)而對Alu衍生的外顯子插入成熟RNA序列中的頻率進(jìn)行了定量，并由此確定了它們在基因中的插入位置以及最終蛋白質(zhì)生成的藍(lán)圖。

“我們發(fā)現(xiàn)這些外顯子傾向于避開基因的蛋白質(zhì)編碼區(qū)域，插入到蛋白質(zhì)編碼區(qū)前面的5 UTR非編碼區(qū)中，”Yi Xing解釋道：“而這一部分區(qū)域通常對mRNA穩(wěn)定性和蛋白質(zhì)生成效率起重要的調(diào)控作用。”

研究人員在檢測這些新插入元件功能的實驗中證實這一區(qū)域能夠改變mRNA的翻譯效率，這意味著這些元件改變了插入基因的蛋白質(zhì)生成速率。

此外研究結(jié)果還表明這些靶向基因的Alu外顯子有可能發(fā)生了擴(kuò)增。研究人員發(fā)現(xiàn)Alu外顯子在編碼鋅指轉(zhuǎn)錄因子的基因中高度富集。過去的研究證實鋅指轉(zhuǎn)錄因子是基因表達(dá)的主要調(diào)控因子，與人類和靈長類動物的進(jìn)化有著重要的關(guān)聯(lián)。由于這些轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控著成千上萬基因的表達(dá)，任何數(shù)量上的改變都可能對下游基因產(chǎn)生一系列的級聯(lián)效應(yīng)。