Lin He

過(guò)去十年的研究表明，一些基因“暗物質(zhì)”確實(shí)有功能，主要是調(diào)節(jié)宿主基因的表達(dá)——宿主基因僅占我們基因組的2%——編碼蛋白質(zhì)。然而，生物學(xué)家仍在爭(zhēng)論，這些DNA的調(diào)節(jié)序列是在人體中起著重要的還是有害的作用，還是僅僅是偶然的，一個(gè)有機(jī)體不需要就能生存的意外。

加州大學(xué)伯克利分校(University of California, Berkeley)和華盛頓大學(xué)(Washington University)的研究人員開(kāi)展了一項(xiàng)新研究，探索了這種垃圾DNA的一個(gè)組成部分——轉(zhuǎn)座子的功能。轉(zhuǎn)座子是一種自私的DNA序列，能夠入侵宿主的基因組。這項(xiàng)研究表明，至少有一個(gè)轉(zhuǎn)座子家族——入侵我們基因組的數(shù)百萬(wàn)種古老病毒——在小鼠的生存能力方面起著關(guān)鍵作用，也許在所有哺乳動(dòng)物中也是如此。當(dāng)研究人員敲除老鼠體內(nèi)的一種特殊轉(zhuǎn)座子時(shí)，一半的老鼠幼鼠在出生前死亡。

這是第一個(gè)“垃圾DNA”對(duì)哺乳動(dòng)物生存至關(guān)重要的例子。

在小鼠中，這種轉(zhuǎn)座子調(diào)節(jié)早期受精胚胎細(xì)胞的增殖和在母體子宮內(nèi)著床的時(shí)機(jī)。研究人員觀(guān)察了包括人類(lèi)在內(nèi)的其他7種哺乳動(dòng)物，也發(fā)現(xiàn)了與細(xì)胞增殖和胚胎植入時(shí)間有關(guān)的病毒來(lái)源的調(diào)控元件，這表明古老的病毒DNA已被獨(dú)立馴化，在所有哺乳動(dòng)物的早期胚胎發(fā)育中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

資深作者、加州大學(xué)伯克利分校分子和細(xì)胞生物學(xué)教授Lin He表示，這些發(fā)現(xiàn)突出了一個(gè)經(jīng)常被忽視的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)因素:病毒整合到我們的基因組中，并被重新定位為宿主基因的調(diào)控者，開(kāi)辟了以前沒(méi)有的進(jìn)化選擇。

He說(shuō):“老鼠和人類(lèi)的基因組中有99%的蛋白質(zhì)編碼基因是相同的，我們彼此非常相似。那么，老鼠和人類(lèi)之間的區(qū)別是什么呢?”其中一個(gè)主要的區(qū)別是基因調(diào)控——老鼠和人類(lèi)有相同的基因，但它們可以被不同的調(diào)控。轉(zhuǎn)座子有能力產(chǎn)生大量的基因調(diào)節(jié)多樣性，可以幫助我們了解世界上的物種特定差異?！?/span>

密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院(Washington University School of Medicine)遺傳學(xué)系特級(jí)醫(yī)學(xué)教授Ting Wang對(duì)此表示贊同。

“這個(gè)故事的真正意義在于，它告訴我們進(jìn)化是如何以最意想不到的方式進(jìn)行的，”Wang說(shuō)?！稗D(zhuǎn)座子長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是無(wú)用的遺傳物質(zhì)，但它們構(gòu)成了哺乳動(dòng)物基因組的很大一部分。許多有趣的研究表明，轉(zhuǎn)座子是人類(lèi)基因組進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力。然而，這是我知道的第一個(gè)刪除垃圾DNA片段導(dǎo)致致命表型的例子，證明了特定轉(zhuǎn)座子的功能可能是必不可少的?！?/span>

這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)人類(lèi)不育有意義。根據(jù)第一作者、加州大學(xué)伯克利分校博士后安德魯·莫澤萊夫斯基(Andrew Modzelewski)的研究，近一半的人類(lèi)流產(chǎn)是未經(jīng)診斷的，或者沒(méi)有明確的遺傳成分。像這樣的轉(zhuǎn)座子會(huì)參與嗎?

He說(shuō):“如果我們的基因組有50%是非編碼或重復(fù)的——這是暗物質(zhì)——那么我們很容易提出這樣一個(gè)問(wèn)題:人類(lèi)生殖和人類(lèi)不育的原因是否可以用垃圾DNA序列來(lái)解釋?”

胚胎植入

He是加州大學(xué)伯克利分校Thomas和Stacey Siebel杰出講座教授，研究人類(lèi)98%或更多的不編碼蛋白質(zhì)的基因組。在He的大部分職業(yè)生涯中，她專(zhuān)注于microRNAs和較長(zhǎng)的非編碼RNA片段，這兩種都是有效的基因調(diào)節(jié)器。然而，五年前，她的團(tuán)隊(duì)意外地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為MERVL(小鼠內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒元素)的轉(zhuǎn)座子家族的microRNA調(diào)節(jié)器，它參與了早期小鼠胚胎細(xì)胞命運(yùn)的決定。小鼠胚胎中出乎意料的大量轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄使何建平的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究轉(zhuǎn)座子的發(fā)育功能，轉(zhuǎn)座子在地球上幾乎所有生物的基因組中都占據(jù)了一席之地。

在本周發(fā)表在《Cell》雜志上的一篇論文中，He和她的團(tuán)隊(duì)確定了涉及的關(guān)鍵調(diào)控DNA：一段轉(zhuǎn)座子——一種病毒啟動(dòng)子——已被重新用作小鼠基因的啟動(dòng)子，該基因產(chǎn)生一種蛋白質(zhì)，參與發(fā)育中胚胎的細(xì)胞增殖和胚胎植入的時(shí)間。啟動(dòng)子是基因上游轉(zhuǎn)錄和表達(dá)所需的短DNA序列。

野生小鼠使用這種被稱(chēng)為MT2B2的轉(zhuǎn)座子啟動(dòng)子，在早期胚胎中啟動(dòng)基因Cdk2ap1的轉(zhuǎn)錄，以產(chǎn)生一種短蛋白質(zhì)“異構(gòu)體”，增加受精胚胎中的細(xì)胞增殖并加速其在子宮中的植入。他們使用CRISPR-EZ（Modzelewski和他幾年前開(kāi)發(fā)的一種簡(jiǎn)單而廉價(jià)的技術(shù)）禁用了MT2B2啟動(dòng)子，并發(fā)現(xiàn)小鼠將其默認(rèn)啟動(dòng)子的Cdk2ap1基因表達(dá)為一種較長(zhǎng)形式的蛋白質(zhì)，一種長(zhǎng)的亞型，這產(chǎn)生了相反的效果：細(xì)胞增殖減少，植入延遲。

這種基因敲除的結(jié)果是大約一半的幼崽在出生時(shí)死亡。

Modzelewski說(shuō)，這種蛋白質(zhì)的短形式似乎使小鼠植入的胚胎在子宮內(nèi)有規(guī)律的間隔，以防止擁擠。當(dāng)啟動(dòng)子被敲除，只有長(zhǎng)型存在時(shí)，胚胎似乎是隨機(jī)植入的，其中一些在子宮頸上，這阻礙了完全發(fā)育的胎兒的出口，有時(shí)在分娩過(guò)程中殺死母親。

他們發(fā)現(xiàn)，在胚胎植入前的24小時(shí)內(nèi)，MT2B2啟動(dòng)子使Cdk2ap1基因的表達(dá)急劇上升，以至于該蛋白的短形式占胚胎中存在的兩種亞型的95%。當(dāng)Cdk2ap1基因上游的默認(rèn)啟動(dòng)子激活時(shí)，長(zhǎng)異構(gòu)體通常在妊娠后期產(chǎn)生。

該研究小組與Wangqing Shao合作，他是該研究的第一作者之一，也是Wang所在華盛頓大學(xué)研究小組的博士后研究員。研究小組搜索了八種哺乳動(dòng)物植入前胚胎的公開(kāi)數(shù)據(jù)，包括人類(lèi)、恒河猴、狨猴、小鼠、山羊、奶牛、豬和負(fù)鼠——觀(guān)察轉(zhuǎn)座子在植入其他物種之前是否短暫開(kāi)啟。這些在線(xiàn)數(shù)據(jù)單細(xì)胞RNA測(cè)序（scRNA-seq），該技術(shù)記錄單細(xì)胞中信使RNA的水平，指示哪些基因被開(kāi)啟和轉(zhuǎn)錄。在所有情況下，他們都必須檢索非編碼DNA的數(shù)據(jù)，因?yàn)橥ǔＴ诜治鲋皶?huì)將其刪除，并假定其不重要。

雖然轉(zhuǎn)座子通常是特定于單個(gè)物種的——例如，人類(lèi)和老鼠的組合就有很大的不同——但研究人員發(fā)現(xiàn)，不同物種特定的轉(zhuǎn)座子家族在植入所有八種哺乳動(dòng)物(包括負(fù)鼠)之前會(huì)短暫開(kāi)啟，負(fù)鼠是唯一一種不用胎盤(pán)將胚胎植入子宮的哺乳動(dòng)物。

He說(shuō):“令人驚訝的是，不同的物種在植入前胚胎中表達(dá)的轉(zhuǎn)座子有很大的不同，但這些轉(zhuǎn)座子的整體表達(dá)譜在所有哺乳動(dòng)物物種中幾乎是相同的。”

同事和共同資深作者Davide Risso，開(kāi)發(fā)了一種將特定轉(zhuǎn)座子連接到植入前基因的方法，以便清除基因組中存在的數(shù)以千計(jì)的相關(guān)轉(zhuǎn)座子拷貝。該方法對(duì)于識(shí)別具有重要基因調(diào)控活性的單個(gè)轉(zhuǎn)座因子至關(guān)重要。

Risso說(shuō)：“值得注意的是，我們使用的數(shù)據(jù)大多基于以前的測(cè)序技術(shù)，稱(chēng)為SMART seq，它涵蓋了RNA分子的完整序列。目前流行的技術(shù)，10x基因組技術(shù)，不會(huì)向我們展示不同水平的蛋白質(zhì)異構(gòu)體?！?/span>

病毒是進(jìn)化的宿主

研究人員發(fā)現(xiàn)，在幾乎所有的八種哺乳動(dòng)物物種中，都存在短Cdk2ap1和長(zhǎng)Cdk2ap1亞型，但它們?cè)诓煌臅r(shí)間和比例上被開(kāi)啟，這與胚胎植入的時(shí)間是早(如小鼠)還是晚(如牛和豬)有關(guān)。因此，在蛋白質(zhì)水平上，短亞型和長(zhǎng)亞型都是保守的，但它們的表達(dá)模式是特定物種的。

Modzelewski說(shuō):“如果你有很多短Cdk2ap1亞型，比如小鼠，你可以很早就植入，而在牛和豬這樣的物種中，短亞型沒(méi)有或很少，植入需要長(zhǎng)達(dá)兩周或更長(zhǎng)時(shí)間。”

Wang懷疑產(chǎn)生長(zhǎng)形式蛋白質(zhì)的啟動(dòng)子可能是小鼠的原始啟動(dòng)子，但是很久以前整合進(jìn)基因組的病毒后來(lái)被調(diào)整為調(diào)控元件，產(chǎn)生了短形式和相反的效果。

“所以，這里發(fā)生的是一種嚙齒動(dòng)物特異性病毒進(jìn)來(lái)，然后宿主決定，'好，我要用你作為我的啟動(dòng)子來(lái)表達(dá)這個(gè)更短的Cdk2ap1亞型?！覀兛吹较到y(tǒng)內(nèi)建的冗余，我們可以利用自然拋給我們的任何東西，使它有用，”Wang說(shuō)。“然后，這個(gè)新的啟動(dòng)子恰好比舊的更強(qiáng)。我認(rèn)為這從根本上改變了嚙齒動(dòng)物的表型;也許這就是讓它們生長(zhǎng)得更快的原因——植入前的時(shí)間更短。所以，它們可能從這種病毒中獲得了一些健康益處?！?/span>

“無(wú)論你在生物學(xué)中觀(guān)察什么，你都會(huì)看到轉(zhuǎn)座子被使用，僅僅是因?yàn)橛羞@么多的序列，”Wang補(bǔ)充說(shuō)。“它們本質(zhì)上為選擇提供了一個(gè)進(jìn)化庫(kù)?！?/span>