一直被誤解的“跳躍基因”LINE1卻是早期胚胎發育的大功臣

最近科學家發現神秘的LINE1基因-一種人們長期認為是垃圾或有害寄生物的“跳躍基因”,實際上是胚胎發育初始階段的一種關鍵的調節因子!說這個以前我們還是簡單說說“跳躍基因”也稱為“轉座子”(transposon)的情況:

 

“跳躍基因”-會“跳舞”的基因

 

會“跳舞”的基因?非生物專業的童鞋們恐怕都會萌生好奇之心,想一探究竟,這是什么樣的基因呢?為什么說它會“跳舞”呢?接下來,我們一起走進這種神奇基因的奧妙無窮的世界。

 

1983年,諾貝爾生理學或醫學獎頒給了81歲的美國遺傳學家巴巴拉.麥克林托克(Barbara McClintock),由此肯定她30多年前發現的基因跳躍現象(轉座子),這是世界上靠獨自研究成果獲得此類獎金的第一位女科學家。這位被譽為“玉米夫人”的麥克林托克一生與玉米為伴,致力于玉米研究,首先發現玉米中有的單個基因是能跳躍的,即從染色體的一個位置跳到另一個位置,甚至從一條染色體跳到另一條染色體上。麥克林托克把這種會“跳舞”的基因稱為“轉座因子”,目前通稱“轉座子”(transposon)。從此,轉座子走進人們的視野,受到越來越多的關注,成為科學家的寵兒。

 

美國遺傳學家巴巴拉.麥克林托克

美國遺傳學家巴巴拉.麥克林托克

 

轉座子是通過轉錄或逆轉錄方式,在內切酶的幫助下,能在生物染色體間移動的一段DNA序列。轉座子的移動過程稱為轉座,轉座可以發生在同一條染色體上,也可以發生在不同染色體間。轉座子也稱為轉座因子、轉座元件、轉位子、可移動基因、跳躍基因。

 

那么,轉座子是如何移動的呢?

目前,已知的轉座子主要通過兩種方式進行轉座:復制型轉座和非復制型轉座。顧名思義,以復制型轉座的轉座子在轉座時,會先將轉座子DNA轉錄形成RNA中間產物,再逆轉錄形成新的相同的DNA,新形成的轉座子DNA移動到其它新位置,而在原來位置仍保留有原來的轉座子,即“復制和粘貼”的轉座機制,這個過程需要轉座酶和解離酶的參與;而以非復制型轉座的轉座子則直接從原來的位置切除下來并轉移到新的位點,即“剪切和粘貼”的轉座機制,這個過程不會形成RNA中間產物,只需要轉座酶參與。轉座酶和解離酶是轉座子的親密伙伴,轉座酶既能像剪刀將DNA切斷,又能如膠水將切下來的DNA粘貼到新的位點,轉座酶作用于原來的轉座子,而解離酶這種核酸內切酶則對新復制的轉座子DNA起作用。

 

轉座子的分類

 

轉座子是一個非常龐大的家族,里面有很多家族成員,這些成員“風格迥異”,卻又彼此有著不可分割的“血緣”關系?,F在大概介紹下這些家庭成員,根據轉座機制的不同,轉座子可分為兩大類:DNA轉座子和逆轉錄轉座子。DNA轉座子僅占轉座子的1%-2%,多采用“剪切和粘貼”的轉座機制,而逆轉錄轉座子所占比例高達86%,采用“復制和粘貼”的轉座機制。逆轉錄轉座子包括LTR轉座子和不含LTR的轉座子。LTR轉座子又分成LINE(longinterspersed nuclear elements)我們下面要介紹的主角就屬于這種,以及SINE(short interspersed nuclear elements),不含LTR的轉座子由三個亞家族組成。那么LTR是什么呢?LTR(Long terminal repeat, LTR),即長末端重復序列,位于轉座子的左右兩端,由相同的DNA序列重復幾百次甚至高達上千次形成,雖然LTR不能編碼蛋白質,但它攜帶有轉錄起始和終止信號,以滿足以RNA為中間產物的復制型轉座的需要。

 

根據轉座子的自主性,轉座子又可分為自主型轉座子和非自主型轉座子。自主型轉座子自身就能編碼轉座酶自主發生轉座,而非自主型轉座子必須在自主型轉座子的幫助下才能夠進行轉座。日常生活中我們看到的玉米籽粒上的斑斑點點就是一個很好的佐證,麥克林托克發現這是由玉米的激活-解離系統(簡稱Ac/Ds系統)引起的,其中,Ac具有合成轉座酶的功能,能自主進行移動,Ds則是非自主型轉座子,要在Ac轉座子存在時才能進行轉座。這兩種因子距離色素基因較近,如果Ac成功地幫助Ds插入到色素基因中,就會阻礙色素的合成,在籽粒上就會出現無色部分;如果Ds插入到隱性無色基因中,就會導致無色基因突變為有色基因,在籽粒上出現有色部分。

 

轉座子廣泛存在于生物細胞中,從簡單的細菌到復雜的人類。轉座子曾被誤解為是“垃圾”DNA,但科學家們已為其辟謠,它們的作用也愈發凸顯,如引起基因突變、促進生物進化、調節基因表達。研究表明,癌組織中也存在轉座子活化現象,而且轉座子的插入是與癌癥發展同時發生的。另外,還有些轉座子在胚胎發育早期和神經元中表達上調,比如神秘的LINE1基因,它構成人類17%基因,但目前科學家才開始逐漸了解它。

 

下面來介紹我們的明星“跳躍基因”-LINE1基因:

 

LINE1基因像其它轉座因子(transposons)一樣,擁有獨特的復制功能,并且能隨機插入基因組。當LINE1基因插入較壞的基因組位置,遺傳學家通常會更關注它,因為這潛在導致癌癥或者血友病(hemophilia)等遺傳疾病。如果該基因插入良性基因組位置,就無害;如果該基因插入惡性基因組位置,就有害。來自加州大學舊金山分校發展生物學家米蓋爾·瑪爾霍·桑托斯(Miguel Ramalho-Santos)認為LINE1基因值得深入研究,他個人認為這是一種不同尋常的DNA片段。它在人類基因中重復50多萬次,幾乎占每個細胞的五分之一。那為什么它會在人類基因組中保持如此多的數量呢?

 

胚胎干細胞

 

在小鼠胚胎早期發育過程中,胚胎干細胞會大量表達LINE1。從常規角度來看,真是不知道胚胎在想啥,表達這么多轉座子,是嫌還不夠天下大亂嗎?但是仔細一觀察,表達出的RNA都聚集在細胞核附近,顯然是在我們不知道的地方發生了些什么。

 

LINE1表達集中在細胞核

LINE1表達集中在細胞核

 

桑托斯和其他同事發現LINE1基因在胚胎發展過程中尤為活躍,這表明該基因片段在協調胚胎細胞發育過程中發揮著重要作用。他開始做一些實驗,直到米歇爾·珀查德(Michelle Percharde)以博士后身份加入實驗室團隊,桑托斯才找到一個真實承擔LINE1基因研究的合作伙伴,桑托斯的實驗取得了進展,LINE1基因研究逐漸步入正軌,他們著手嘗試清除LINE1。直接敲除是不可能的了,畢竟LINE1占據基因組近1/5,都敲掉DNA怕不是要碎成沫沫。于是研究者開發了一套利用寡義核苷酸敲低RNA的方法,將細胞內LINE1RNA的水平降低到了正常的水平的80-90%。

 

萬萬沒想到啊,這一敲低可壞了大事了,胚胎干細胞的自我更新能力幾乎就是沒了,不會分裂了;更嚇人的是,如果在胚胎發育過程中進行敲低,那么受精卵分裂成兩個細胞之后,整個發育過程就再也走不下去了,幾乎沒有誰能夠突破這個難關長到四細胞階段,更別提長成一個真生命了!

 

LINE1胚胎干細胞

敲低LINE1之后胚胎干細胞自我更新能力幾乎沒了

 

原來LINE1RNA真的沒有閑著,它在細胞核內會與兩種重要的蛋白握手——一種叫做核蛋白,它是核糖體的組成部分;另一種稍微陌生一些,叫做Kap1,這種蛋白能夠與多種轉錄因子集合,具有關鍵的轉錄調控作用。LINE1RNA與它倆形成的復合體才是LINE1作用的完全體,它們接下來完成了兩項重大任務。這組復合體能夠抑制一個名為Dux的基因表達。Dux就是一個轉錄因子了,它和兩細胞階段很多必須的基因都關系匪淺。這些基因是胚胎發育兩細胞階段必須的,但是一個階段有一個階段的任務,想要繼續發育,就必須讓它們歇歇了。轉錄組分析也顯示,Dux靶向的那些基因,正是敲低LINE1之后最活躍的那些。與此同時,LINE1RNA復合體還有一個重要的工作,就是激活rRNA的表達。不用多解釋了,rRNA是組成核糖體必須的,也是細胞翻譯蛋白所必須的。這就是為啥敲低了LINE1之后胚胎干細胞自我更新能力降低的原因。

 

有趣的是,LINE1在發育中的重要功能,和它“轉座”的本性似乎并不相關。研究者嘗試著阻止LINE1的逆轉錄,胚胎干細胞的發育也很正常。研究者猜想,胚胎細胞可能自有一套調教LINE1的方法,讓它的RNA在出工出力的同時,又不會瞎跳躍給基因組造成太大的麻煩。

 

在過去幾年里,其他研究小組曾偶然間發現LINE1基因功能的重要線索。他們發現LINE1基因在早期老鼠胚胎和大腦細胞中可能發揮的作用,但是他們并沒有對LINE1基因功能提供確鑿證據。美國南達科達州立大學LINE1基因研究員Wenfeng An說:“直到近期,關于LINE1基因的探索仍沒有準確的定論,我們一直在期望著研究結果,這是一項開創性研究?!?/p>

 

科學家下一步將重點研究人類細胞中的LINE1基因,它構成人類基因的17%。老鼠和人類存在著差異,但是LINE1基因也大量存在于差不多所有的哺乳動物。研究者下一步就準備分析是否人類也存在類似的機制。雖然小鼠和人的差距很大,但是要知道,LINE1幾乎是人類基因組中唯一的還十分活躍的轉座子,同時也含量巨大,真的很難不讓人認為進化之手故意留下它是別有用心呢。其他的轉座子(也被認為是垃圾DNA)在人類細胞發育過程中也具有重要作用。美國斯坦福大學發展生物學家喬安娜·沃索西卡(Joanna Wysocka)之前也研究過LINE1基因,她說:“在所謂的垃圾基因中存在大量的‘寶藏’。

 

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