人們普遍認(rèn)為動物基因組的98%是垃圾DNA，但一項最新的研究表明，一段垃圾DNA，一種基于病毒的轉(zhuǎn)座子的啟動子，在小鼠的細胞增殖和胚胎植入時間中起著關(guān)鍵作用。
什么是垃圾DNA?
垃圾DNA, 垃圾基因，英文：junk DNA. “垃圾DNA”這一術(shù)語是遺傳學(xué)家Susumu Ohno在1972年發(fā)明的，用來表示基因組中95%—98%的不編譯任何蛋白質(zhì)或酶的DNA，其中大部分由隨機散布在整個基因組中的重復(fù)片段組成。 將近一半的DNA被當(dāng)作垃圾、被丟棄的進化物，例如，邊緣化或斷裂的基因，被卡在我們基因組中、并被肢解或沉默的病毒，這些都被認(rèn)為與人類有機體或人類進化無關(guān)。
但過去十年的研究表明，某些遺傳“暗物質(zhì)”確實有功能，主要是調(diào)節(jié)宿主基因的表達，而編碼蛋白質(zhì)的宿主基因只占我們總基因組的2%。
生物學(xué)家仍在爭論，這些DNA調(diào)控序列是在人體內(nèi)起著關(guān)鍵或有害的作用，還是說這些調(diào)控僅僅是偶然的，是一種有機體并不需要的意外事件。
加利福尼亞大學(xué)、伯克利和華盛頓大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項新研究探索了這種垃圾DNA的一個組成部分——轉(zhuǎn)座子的功能，轉(zhuǎn)座子是能夠侵入宿主基因組的自私DNA序列。這項研究表明，至少有一個轉(zhuǎn)座子家族——入侵人類基因組達數(shù)百萬的古老病毒——在小鼠甚至所有哺乳動物的生存能力中起著關(guān)鍵作用。
該研究小組發(fā)現(xiàn)，基于病毒的啟動子與包括人類在內(nèi)的其他哺乳動物的發(fā)育相關(guān)基因相關(guān)聯(lián)，這表明轉(zhuǎn)座子的調(diào)節(jié)作用十分重要，被廣泛用于其他用途。
圖1. 自遠古以來，病毒就一直在入侵動植物的基因組（圖中），但科學(xué)家們認(rèn)為它們中的大多數(shù)很快就被沉默了，形成了一個轉(zhuǎn)座子的墳?zāi)?，如今轉(zhuǎn)座子構(gòu)成了我們DNA的大部分。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，一些轉(zhuǎn)座子已經(jīng)將自己復(fù)制到基因組中具有有害影響的位點（圖左）。另一方面，其他轉(zhuǎn)座子則扮演著重要功能的調(diào)節(jié)者的角色，如發(fā)育（圖右）。（圖片為Lin He實驗室提供）
當(dāng)研究人員在老鼠身上敲除一個特定的轉(zhuǎn)座子時，他們的老鼠幼崽中有一半在出生前死亡。
這是**個表明“垃圾DNA”片段對哺乳動物生存至關(guān)重要的例子。
在小鼠中，該轉(zhuǎn)座子調(diào)節(jié)早期受精胚胎中細胞的增殖和植入母親子宮的時間。研究人員對包括人類在內(nèi)的其他七種哺乳動物物種進行了研究，還發(fā)現(xiàn)了與細胞增殖和胚胎植入時間相關(guān)的病毒衍生調(diào)控元件，這表明古老的病毒DNA已經(jīng)被獨立馴化，在所有哺乳動物的早期胚胎發(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胞生物學(xué)教授Lin He指出，這一發(fā)現(xiàn)突出了一個經(jīng)常被忽視的進化驅(qū)動力：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)節(jié)器，開啟了前所未有的進化選擇。
“老鼠和人類的基因組中99%的蛋白質(zhì)編碼基因是相同的，我們彼此非常相似，”他說?！澳敲矗鞘裁礃?gòu)成了小鼠和人類之間的差異呢？其中一個主要差異是基因調(diào)控。小鼠和人類有相同的基因，但它們的調(diào)控方式不同。轉(zhuǎn)座子具有產(chǎn)生大量基因調(diào)控多樣性的能力，可以幫助我們了解世界上物種特有的差異?！?/span>
密蘇里州圣路易斯華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)系的杰出醫(yī)學(xué)教授Ting Wang對此表示同意。
“這個故事的真正意義在于，它告訴我們進化是如何以最意想不到的方式進行的，“Wang說?！稗D(zhuǎn)座子長期以來被認(rèn)為是無用的遺傳物質(zhì)，但它們在哺乳動物基因組中占據(jù)了非常大的比例。許多相關(guān)的研究表明，轉(zhuǎn)座子是人類基因組進化的驅(qū)動力。然而，這是我所知道的**個刪除垃圾DNA片段導(dǎo)致致命表型的例子，證明了特定轉(zhuǎn)座子的功能是必不可少的。”
這一發(fā)現(xiàn)可能會對人類不孕癥產(chǎn)生影響。根據(jù)**作者、加州大學(xué)伯克利分校博士后Andrew Modzelewski的說法，近一半的人類流產(chǎn)未被診斷或沒有明確的遺傳成分。像這樣的轉(zhuǎn)座子可能與此有關(guān)嗎？
他說：“如果我們的基因組有50%是非編碼或重復(fù)的——這是一種暗物質(zhì)——那么我們很容易提出這樣一個問題：垃圾DNA序列能否解釋人類生殖和人類不育的原因?！?/span>
胚胎植入
Lin He研究了超過98%的不編碼蛋白質(zhì)的基因組。
在職業(yè)生涯的大部分時間里，她一直專注于miRNA和更長的非編碼RNA，這兩種都是有效的基因調(diào)節(jié)器。然而，五年前，她的團隊意外地發(fā)現(xiàn)了一個名為MERVL（小鼠內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒成分）的轉(zhuǎn)座子家族的microRNA調(diào)節(jié)因子，該家族參與了早期小鼠胚胎的細胞命運決定。小鼠胚胎中意外的大量轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄讓她的團隊研究了轉(zhuǎn)座子的發(fā)育功能，而轉(zhuǎn)座子幾乎占據(jù)了地球上所有生物的基因組。
在本周發(fā)表在《細胞》雜志上的一篇論文中，Lin He和她的團隊確定了涉及的關(guān)鍵調(diào)控DNA：一段轉(zhuǎn)座子，一種病毒啟動子，已被重新用作小鼠基因的啟動子，該基因產(chǎn)生一種蛋白質(zhì)，參與發(fā)育中胚胎的細胞增殖和胚胎植入的時間。啟動子是基因上游轉(zhuǎn)錄和表達所需的短DNA序列。
野生小鼠使用這種被稱為MT2B2的轉(zhuǎn)座子啟動子，在早期胚胎中啟動基因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胞增殖，并加速其在子宮中的植入。
他們使用CRISPR-EZ技術(shù)（Modzelewski和Lin He幾年前開發(fā)的一種簡單而廉價的技術(shù)）禁用了MT2B2啟動子，并發(fā)現(xiàn)小鼠將其默認(rèn)啟動子的Cdk2ap1基因表達為一種較長形式的蛋白質(zhì)，一種長的亞型，這產(chǎn)生了相反的效果：細胞增殖減少，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死亡。
莫德澤萊夫斯基說，這種短模式的蛋白質(zhì)似乎使老鼠的許多胚胎在子宮內(nèi)以規(guī)則的間隔植入，防止擁擠。
當(dāng)啟動子被敲除，只有長的形式存在時，胚胎似乎隨機植入，其中一些位于子宮頸上方，這會阻止發(fā)育完全的胎兒退出，有時會在分娩過程中殺死母鼠。
他們發(fā)現(xiàn)，在胚胎植入前的24小時內(nèi)，MT2B2啟動子使Cdk2ap1基因的表達急劇上升，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)啟動子激活時，長異構(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**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物植入前胚胎的公開數(shù)據(jù)，包括人類、恒河猴、狨猴、小鼠、山羊、奶牛、豬和負鼠，觀察轉(zhuǎn)座子在植入其他物種之前是否短暫開啟。這些在線數(shù)據(jù)來自單細胞RNA測序技術(shù)（scRNA-seq），該技術(shù)記錄單細胞中信使RNA的水平，指示哪些基因被開啟和轉(zhuǎn)錄。
在所有情況下，他們都必須檢索非編碼DNA的數(shù)據(jù)，因為假定其不重要，通常在分析之前會將其刪除。
盡管轉(zhuǎn)座子通常對單個物種具有特異性。例如，人類和小鼠具有很大不同的組群。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同物種特異性轉(zhuǎn)座子家族在植入八種哺乳動物之前都短暫開啟，包括負鼠，這組中**不使用胎盤將胚胎植入子宮的哺乳動物。
令人驚訝的是，不同物種在植入前，胚胎中表達的轉(zhuǎn)座子大不相同，但在所有哺乳動物物種中，這些轉(zhuǎn)座子的整體表達譜幾乎相同。
共同資深作者Davide Risso，前UC伯克利博士后研究員，開發(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)以千計的相關(guān)轉(zhuǎn)座子拷貝。該方法對于識別具有重要基因調(diào)控活性的單個轉(zhuǎn)座因子至關(guān)重要。
Risso說：“值得注意的是，我們使用的數(shù)據(jù)大多基于以前的測序技術(shù)，稱為SMART seq，它涵蓋了RNA分子的完整序列。而目前流行的技術(shù)，10xgenomics，不會向我們展示不同水平的蛋白質(zhì)異構(gòu)體。他們對它們一無所知?！?。
病毒是進化的蓄水池
研究人員發(fā)現(xiàn)，在幾乎所有的八種哺乳動物物種中，短Cdk2ap1和長Cdk2ap1亞型都存在，但它們在不同的時間和不同的比例啟動，這與胚胎植入的早期（如小鼠）或晚期（如牛和豬）有關(guān)。因此，在蛋白質(zhì)水平上，短亞型和長亞型都是保守的，但它們的表達模式是物種特異性的。
Modzelewski說：“如果你有很多短的Cdk2ap1亞型，像老鼠一樣，你會很早植入，而像牛和豬這樣的物種，沒有或很少短的亞型，植入需要兩周或更長的時間?！?/span>
Wang懷疑產(chǎn)生長形式蛋白質(zhì)的啟動子可能是小鼠的原始啟動子，但很久以前整合到基因組中的病毒后來被改造為調(diào)節(jié)元件，產(chǎn)生了短形式和相反的效果。
“所以，這里發(fā)生的是一種嚙齒動物特有的病毒進入，然后宿主做了某種決定，將其作為啟動子來表達這種較短的Cdk2ap1亞型。我們看到了系統(tǒng)中的冗余，我們可以利用大自然帶給我們的任何東西，并使其發(fā)揮作用，”他說?！叭缓螅@個新的啟動子恰好比舊的啟動子更強。我認(rèn)為這從根本上改變了嚙齒類動物的表型；也許這就是使它們生長更快的原因——這是植入前時間更短的禮物。因此，它們可能從這種病毒中獲得了一些健康益處?！?/span>
無論你怎么看生物學(xué)，你都會看到轉(zhuǎn)座子的使用，因為它太多了。它們本質(zhì)上為選擇提供了一個進化庫?！?/span>
這項工作主要得到了霍華德·休斯醫(yī)學(xué)院院系學(xué)者獎和美國國立衛(wèi)生研究院的支持。
文章來源：
加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，Robert Sanders。
So-called junk DNA plays critical role in mammalian development
