Plant cell：闡析“垃圾”DNA的新功能

日期：2014-04-02 09:27:14

DNA分子編碼遺傳指令，使得細胞能夠生成通常所需的成千上萬的蛋白。由A、T、C和G堿基構成的線性序列，即所謂的編碼DNA決定了基因將編碼的特定蛋白質。但許多生物體細胞中的DNA遠多于編碼所有必要蛋白質之所需。這種非編碼DNA看似無用，因而往往被稱作為“垃圾”DNA。然而回想一下，事實上過去我們確實并不了解這些看似不必要的DNA序列的功能。

現在我們知道，非編碼DNA具有一些除編碼蛋白質之外的重要功能。許多的非編碼序列生成了關閉/開啟基因由此調控基因表達的RNA分子。另外一些包含增強子或是抑制元件。ENCODE（DNA元件百科全書）計劃近期的研究工作表明，很大比例的非編碼DNA（構成約95%人類基因組）在基因調控中發揮功能。因此，斷定“垃圾”DNA沒有功能還為時過早——我們需要做的是弄清楚它到底是什么！

為了了解植物中這樣大量的非編碼DNA的重要性，加州大學伯克利分校的Diane Burgess和Michael Freeling鑒別了存在于各種植物物種，包括稻米、香蕉和可可中的許多保守非編碼DNA序列(CNSs)。DNA序列高度保守，意味著在各種生物體中它們完全相同或是幾乎一樣，有可能在一些基本生物學過程中發揮重要的功能。例如，編碼核糖體RNA的基因就高度保守。生物無法容忍這一關鍵分子的序列發生改變，因此在數百萬年的進化過程中核糖體RNA序列變化不大。

為了鑒別出最具高度保守性的植物CNSs，Burgess和Freeling將模式生物擬南芥（十字花科）與耬斗草（columbine，毛茛科遠親植物）的基因組進行了對比。系統樹顯示了他們研究的雙子葉植物和單子葉植物之間的進化關系。分支點代表了兩個物種從共同祖先處分歧的點。兩種植物在130多萬年前發生分歧，它們之間的共同序列有可能具有一些重要的功能。

他們在這些親緣關系較遠的物種中發現了200多種共同的CNSs。此外，其中59種CNSs也被發現存在于進化上更遙遠的單子葉植物中，它們被命名為深CNSs。最終，他們證實其中有51種CNSs似乎存在于所有的開花植物中。

那么這些深CNSs的功能是什么呢？研究人員通過分析這些CNSs相關的基因類型獲得了一些線索。他們發現，幾乎所有的深CNSs都與參與開花植物基本與普遍生物過程，如發育、激素響應、基因表達調控的基因相關聯。而大多數的這些CNSs都與參與組織和器官發育、胚后期分化、開花和生殖結構生成的基因有關聯。另外一些與激素和鹽反應性基因或編碼轉錄因子的基因有關。

此外，他們證實這些CNSs富集于一些轉錄因子結合位點，表明其中一些非編碼DNA的功能是充當了組織基因表達機器的支架。他們發現的一些結合位點已知在其他植物中是響應生物和非生命壓力、光和激素的必需序列。此外，他們發現一些CNSs生成的RNAs具有廣闊的雙鏈區域。這些雙鏈區域已被證實與RNA的穩定、降解以及基因表達調控有關。在最具高度保守性的59種CNSs中有12種CNSs，與之相關的基因編碼了與RNA互作的蛋白質產物。顯然，這些DNA序列并不只是“垃圾！”

由于Burgess和Freeling鑒別出了開花植物中最具高度保守性的非編碼DNA序列，未來科學家們將更清楚地了解側重對哪些基因區域開展功能研究。這些預測的轉錄因子結合位點是否確實結合了已知或是新的轉錄因子？CNSs是否組織或是調控了基因表達機器？一些CNSs是否編碼了調控植物中一些基本過程的RNAs？由于研究人員現在獲得了這組有可能在植物基本細胞過程中起重要作用的深CNSs，解答這些以及許多相關的問題將變得更加的容易。