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太惊讶!垃圾DNA在哺乳动物的发育中起着至关重要的作用

作者:Robert Sanders

人们普遍认为动物基因组的98%是垃圾DNA,但一项最新的研究表明,一段垃圾DNA,一种基于病毒的转座子的启动子,在小鼠的细胞增殖和胚胎植入时间中起着关键作用。


什么是垃圾DNA?

垃圾DNA, 垃圾基因,英文:junk DNA. “垃圾DNA”这一术语是遗传学家Susumu Ohno在1972年发明的,用来表示基因组中95%—98%的不编译任何蛋白质或酶的DNA,其中大部分由随机散布在整个基因组中的重复片段组成。 将近一半的DNA被当作垃圾、被丢弃的进化物,例如,边缘化或断裂的基因,被卡在我们基因组中、并被肢解或沉默的病毒,这些都被认为与人类有机体或人类进化无关。

但过去十年的研究表明,某些遗传“暗物质”确实有功能,主要是调节宿主基因的表达,而编码蛋白质的宿主基因只占我们总基因组的2%。

生物学家仍在争论,这些DNA调控序列是在人体内起着关键或有害的作用,还是说这些调控仅仅是偶然的,是一种有机体并不需要的意外事件。

加利福尼亚大学、伯克利和华盛顿大学研究人员领导的一项新研究探索了这种垃圾DNA的一个组成部分——转座子的功能,转座子是能够侵入宿主基因组的自私DNA序列。这项研究表明,至少有一个转座子家族——入侵人类基因组达数百万的古老病毒——在小鼠甚至所有哺乳动物的生存能力中起着关键作用。

该研究小组发现,基于病毒的启动子与包括人类在内的其他哺乳动物的发育相关基因相关联,这表明转座子的调节作用十分重要,被广泛用于其他用途。

垃圾DNA

图1. 自远古以来,病毒就一直在入侵动植物的基因组(图中),但科学家们认为它们中的大多数很快就被沉默了,形成了一个转座子的坟墓,如今转座子构成了我们DNA的大部分。然而,研究人员发现,一些转座子已经将自己复制到基因组中具有有害影响的位点(图左)。另一方面,其他转座子则扮演着重要功能的调节者的角色,如发育(图右)。(图片为Lin He实验室提供)



当研究人员在老鼠身上敲除一个特定的转座子时,他们的老鼠幼崽中有一半在出生前死亡。

这是第一个表明“垃圾DNA”片段对哺乳动物生存至关重要的例子。

在小鼠中,该转座子调节早期受精胚胎中细胞的增殖和植入母亲子宫的时间。研究人员对包括人类在内的其他七种哺乳动物物种进行了研究,还发现了与细胞增殖和胚胎植入时间相关的病毒衍生调控元件,这表明古老的病毒DNA已经被独立驯化,在所有哺乳动物的早期胚胎发育中发挥了关键作用。

资深作者、加州大学伯克利分校分子和细胞生物学教授Lin He指出,这一发现突出了一个经常被忽视的进化驱动力:病毒整合到我们的基因组中,并被重新定位为宿主基因的调节器,开启了前所未有的进化选择。

“老鼠和人类的基因组中99%的蛋白质编码基因是相同的,我们彼此非常相似,”他说。“那么,是什么构成了小鼠和人类之间的差异呢?其中一个主要差异是基因调控。小鼠和人类有相同的基因,但它们的调控方式不同。转座子具有产生大量基因调控多样性的能力,可以帮助我们了解世界上物种特有的差异。”

密苏里州圣路易斯华盛顿大学医学院遗传学系的杰出医学教授Ting Wang对此表示同意。

“这个故事的真正意义在于,它告诉我们进化是如何以最意想不到的方式进行的,“Wang说。“转座子长期以来被认为是无用的遗传物质,但它们在哺乳动物基因组中占据了非常大的比例。许多相关的研究表明,转座子是人类基因组进化的驱动力。然而,这是我所知道的第一个删除垃圾DNA片段导致致命表型的例子,证明了特定转座子的功能是必不可少的。”

这一发现可能会对人类不孕症产生影响。根据第一作者、加州大学伯克利分校博士后Andrew Modzelewski的说法,近一半的人类流产未被诊断或没有明确的遗传成分。像这样的转座子可能与此有关吗?

他说:“如果我们的基因组有50%是非编码或重复的——这是一种暗物质——那么我们很容易提出这样一个问题:垃圾DNA序列能否解释人类生殖和人类不育的原因。”


胚胎植入

Lin He研究了超过98%的不编码蛋白质的基因组。

在职业生涯的大部分时间里,她一直专注于miRNA和更长的非编码RNA,这两种都是有效的基因调节器。然而,五年前,她的团队意外地发现了一个名为MERVL(小鼠内源性逆转录病毒成分)的转座子家族的microRNA调节因子,该家族参与了早期小鼠胚胎的细胞命运决定。小鼠胚胎中意外的大量转座子转录让她的团队研究了转座子的发育功能,而转座子几乎占据了地球上所有生物的基因组。

在本周发表在《细胞》杂志上的一篇论文中,Lin He和她的团队确定了涉及的关键调控DNA:一段转座子,一种病毒启动子,已被重新用作小鼠基因的启动子,该基因产生一种蛋白质,参与发育中胚胎的细胞增殖和胚胎植入的时间。启动子是基因上游转录和表达所需的短DNA序列。

野生小鼠使用这种被称为MT2B2的转座子启动子,在早期胚胎中启动基因Cdk2ap1的转录,以产生一种短蛋白质“异构体”,增加受精胚胎中的细胞增殖,并加速其在子宫中的植入。

他们使用CRISPR-EZ技术(Modzelewski和Lin He几年前开发的一种简单而廉价的技术)禁用了MT2B2启动子,并发现小鼠将其默认启动子的Cdk2ap1基因表达为一种较长形式的蛋白质,一种长的亚型,这产生了相反的效果:细胞增殖减少,植入延迟。

这种基因敲除的结果是:大约一半的幼崽在出生时死亡。

莫德泽莱夫斯基说,这种短模式的蛋白质似乎使老鼠的许多胚胎在子宫内以规则的间隔植入,防止拥挤。

当启动子被敲除,只有长的形式存在时,胚胎似乎随机植入,其中一些位于子宫颈上方,这会阻止发育完全的胎儿退出,有时会在分娩过程中杀死母鼠。

他们发现,在胚胎植入前的24小时内,MT2B2启动子使Cdk2ap1基因的表达急剧上升,以至于该蛋白的短形式占胚胎中存在的两种亚型的95%。当Cdk2ap1基因上游的默认启动子激活时,长异构体通常在妊娠后期产生。

该研究小组与Wangqing Shao合作,他是该研究的第一作者之一,也是Wang所在华盛顿大学研究小组的博士后研究员。研究小组搜索了八种哺乳动物植入前胚胎的公开数据,包括人类、恒河猴、狨猴、小鼠、山羊、奶牛、猪和负鼠,观察转座子在植入其他物种之前是否短暂开启。这些在线数据来自单细胞RNA测序技术(scRNA-seq),该技术记录单细胞中信使RNA的水平,指示哪些基因被开启和转录。

在所有情况下,他们都必须检索非编码DNA的数据,因为假定其不重要,通常在分析之前会将其删除。

尽管转座子通常对单个物种具有特异性。例如,人类和小鼠具有很大不同的组群。研究人员发现,不同物种特异性转座子家族在植入八种哺乳动物之前都短暂开启,包括负鼠,这组中唯一不使用胎盘将胚胎植入子宫的哺乳动物。

令人惊讶的是,不同物种在植入前,胚胎中表达的转座子大不相同,但在所有哺乳动物物种中,这些转座子的整体表达谱几乎相同。

共同资深作者Davide Risso,前UC伯克利博士后研究员,开发了一种将特定转座子连接到植入前基因的方法,以便清除基因组中存在的、数以千计的相关转座子拷贝。该方法对于识别具有重要基因调控活性的单个转座因子至关重要。

Risso说:“值得注意的是,我们使用的数据大多基于以前的测序技术,称为SMART seq,它涵盖了RNA分子的完整序列。而目前流行的技术,10xgenomics,不会向我们展示不同水平的蛋白质异构体。他们对它们一无所知。”。


病毒是进化的蓄水池

研究人员发现,在几乎所有的八种哺乳动物物种中,短Cdk2ap1和长Cdk2ap1亚型都存在,但它们在不同的时间和不同的比例启动,这与胚胎植入的早期(如小鼠)或晚期(如牛和猪)有关。因此,在蛋白质水平上,短亚型和长亚型都是保守的,但它们的表达模式是物种特异性的。

Modzelewski说:“如果你有很多短的Cdk2ap1亚型,像老鼠一样,你会很早植入,而像牛和猪这样的物种,没有或很少短的亚型,植入需要两周或更长的时间。”

Wang怀疑产生长形式蛋白质的启动子可能是小鼠的原始启动子,但很久以前整合到基因组中的病毒后来被改造为调节元件,产生了短形式和相反的效果。

“所以,这里发生的是一种啮齿动物特有的病毒进入,然后宿主做了某种决定,将其作为启动子来表达这种较短的Cdk2ap1亚型。我们看到了系统中的冗余,我们可以利用大自然带给我们的任何东西,并使其发挥作用,”他说。“然后,这个新的启动子恰好比旧的启动子更强。我认为这从根本上改变了啮齿类动物的表型;也许这就是使它们生长更快的原因——这是植入前时间更短的礼物。因此,它们可能从这种病毒中获得了一些健康益处。”

无论你怎么看生物学,你都会看到转座子的使用,因为它太多了。它们本质上为选择提供了一个进化库。”

这项工作主要得到了霍华德·休斯医学院院系学者奖和美国国立卫生研究院的支持。


文章来源:

加利福尼亚大学伯克利分校,Robert Sanders

So-called junk DNA plays critical role in mammalian development


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