Cell：不讓基因沉默的RNAi途徑

日期：2012-06-28 08:16:30

“這項研究的獨特之處在于——之前，我們知道RNAi能用于調控基因，或者完全關閉基因。而這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)的是一種通過piRNA途徑，保護基因不被沉默的RNAi機制，這種機制能作為一種保護形式，讓基因得以表達。”

——Darryl Conte Jr.博士

生物機體采用了多種戰(zhàn)略方法來識別，阻擊外來入侵DNA片段，像是病毒中帶有DNA片段。比如許多病毒都會在其生命周期中生成雙鏈RNA，而RNA干擾（RNAi）機制被認為是識別這種結構，啟動沉默應答的方法之一。

來自麻省醫(yī)學院的研究人員近期發(fā)現(xiàn)了一種與RNAi相關，能偵查到入侵者的新機制，這種機制與之前通過識別dsRNA，或者一些外來序列其他異常特征的方法不同，新方法是通過將外來序列和之前表達的RNA記憶進行比較，一旦識別出差異來，一種稱為外來DNA片段的“表觀記憶”就會產(chǎn)生，并且一代傳給一代，永久沉默這一基因。

這種與RNAi相關的現(xiàn)象被稱為RNAe（RNA誘導表觀沉默，RNA-induced epigenetic silencing），其一個顯著特點就是動物體攜帶有之前基因表達的記憶。這種活性基因的記憶可以作為一種“反沉默（anti-silencing）”信號，保護機體本身產(chǎn)生的基因不受到RNAe的影響，在某些情況下，將外來基因作為自身基因。

這些發(fā)現(xiàn)將公布在7月6日的Cell雜志上，有助于研究人員了解具有相同DNA序列的相同生物，為什么會發(fā)生相反的基因表達表示，產(chǎn)生極大差異的表型。

“如果說一個線蟲會由于帶有這種由上一代遺留下來的基因記憶，調整了其基因表達，那么也許其它生物（包括人在內）也具有相同的作用。如果是這樣的話，這種機制就會對進化產(chǎn)生巨大的影響”，霍德華休斯醫(yī)學院Craig C. Mello研究員說，“RNAe機制加速遺傳表型變異（無需DNA突變），從而加速了進化的步伐。越來越多的證據(jù)表明許多生物能追蹤基因表達模式，表觀應答。我們的發(fā)現(xiàn)將這一基因表達程序識別和記憶過程提高到了一個全新的更加復雜的水平?！?/SPAN>

研究人員發(fā)現(xiàn)，當編碼綠色熒光蛋白GFP的外來DNA片段，插入到一種線蟲體內的時候，有些線蟲就會沉默這些新入侵的DNA，而有些線蟲則會表達GFP基因。之后研究人員深入分析了RNAi在決策沉默還是表達GFP方面的作用，在RNAi相關現(xiàn)象中，一種蛋白：Argonaute會與小分子RNAs相互作用，利用它們作為識別靶標核苷酸的遺傳標記。

根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，研究人員提出一個包含有三個獨立Argonaute系統(tǒng)的模型，這些系統(tǒng)能共同掃描，識別和沉默外來DNA，同時保護正常基因的表達。其中一個能結合在piRNA上的Argonaute蛋白——PRG-1 (Piwi)負責掃描離開細胞核的RNA分子，分析這些分子是屬于機體本身，還是外來入侵。如果PRG-1和其piRNAs輔因子識別出一個外來序列，那么就會啟動，或者說激活第二個Argonaute系統(tǒng)，就是WAGO系統(tǒng)，導致這一遺傳物質被關閉，不會被表達。

一旦DNA片段被識別出是外來序列，并被沉默，那么一個表觀記憶就形成了，這個外來基因就會被一代又一代的沉默。雖然這種記憶遺傳機制還需要進一步的探索，但是研究人員認為，幾代線蟲的研究表明這一外來基因無法表達，即使是相應的piRNA不存在的時候也是。

“這似乎說明了piRNAs的功能是啟動掃描，識別外來核苷酸”，文章作者之一，分子醫(yī)學助理教授Darryl Conte Jr.博士說，“因為連續(xù)傳代中外來DNA被沉默了，所以即使沒有piRNA的線蟲，沉默的信號也通過表觀遺傳傳遞了下來，不再需要之前的piRNA復合物的掃描了?！?/SPAN>

piRNA來自基因組聚集區(qū)域，是種類多樣，豐富的小分子非編碼RNA，在哺乳動物中更是有百萬種。在大多數(shù)線蟲中piRNAs，以及哺乳動物中的許多piRNAs都缺失明顯的互補靶標，功能并不清楚。有可能piRNAs的作用是一種遺傳保護體系，利用不完全配對的堿基對，幫助識別外來核苷酸，Conte博士說。

那么阻止piRNAs識別和永久沉默線蟲本身基因的機制又是什么呢？值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)這種“自我”轉錄本有時會受到保護，無法進入WAGO系統(tǒng)，一些活性基因實際上確實能打開沉默基因。由于自我轉錄是與第三種Argonaute系統(tǒng)——CSR-1聯(lián)系在一起的，因此研究人員認為，CSR-1也許提供了一種反沉默，或者保護功能，這能幫助線蟲識別自己的基因，進行表達。

“這是這些研究中真正獨特的發(fā)現(xiàn)之一”，Conte博士說，“之前，我們知道RNAi過程能用于調控基因，或者完全關閉基因。而這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)的是一種通過piRNA途徑，保護基因不被沉默的RNAi機制，這種機制能作為一種保護形式，讓基因得以表達?！?/SPAN>

“總而言之，這些研究提出了一種小分子RNA系統(tǒng)在表觀遺傳過程中，令人驚訝的復雜作用”，Mellon教授說，“這表明了piRNAs能不斷掃描生殖細胞中的所有表達的基因，不斷的將每個序列，與之前基因表達記憶進行比對。當找到外來基因的時候，這個新型表觀遺傳信息就會被傳遞給下一代。反過來說，如果偶然有新基因被隨機表達，那么這個活性狀態(tài)也會被作為一種穩(wěn)定的表觀遺傳記憶，被傳遞給下一代，因此機體就能有效的將外來基因融入自身基因了。”