我们终于看清驾驶着“生命巴士”的“巴士司机”
2019-05-20 21:21

我们终于看清驾驶着“生命巴士”的“巴士司机”

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:T.H SAEY,封面:ROST-9D/ISTOCK


科学家终于破译了果蝇基因库中的一些最重要部分。


一组来自美国康涅狄格大学、罗切斯特大学以及哈佛医学院的生物学家首次成功地破译、测序了多细胞生物中的所有着丝粒的基因组成,并且还发现了可能在染色体分裂中起关键作用的DNA片段。


这是非常重大的突破,因为如果在染色体分裂的过程中出现任何错误,都有可能导致癌症、天生缺陷,甚至是死亡。研究人员将这些重大成果分发表在了5月14日的《公共科学图书馆·生物学》期刊上。


什么是着丝粒?着丝粒就是染色体中连接了两个染色单体的结构,它赋予大多数染色体以特有的X形状,在细胞分裂时会帮助染色体移动。如果把染色体比作“一辆巴士”,DNA和基因是其中的“乘客”,那么着丝粒就是那位“巴士司机”。在DNA被复制之后,着丝粒会将染色体移动到新的子细胞中。


但一直以来,科学家对这些基因里“巴士司机”知之甚少。虽然之前他们也曾成功地甄别出过一些玉米、马、酵母和其他真菌的着丝粒,还鉴别出了一个主宰着Y染色体的人类着丝粒。但他们对着丝粒的了解,最多也仅限于它们是长到令人难以置信的重复DNA片段。


尽管科学家在2000年就曾报告说我们已经掌握了果蝇的整个基因库,但事实上,研究人员跳过了果蝇的着丝粒和其他一些重复DNA。同样,我们并非完全了解人类基因组,人类的着丝粒(除了Y染色体的着丝粒以外)也仍然是个谜


这种疏忽是由技术原因造成的,因为若要给基因组测序(也就是确定DNA里的碱基顺序),我们首先必须将DNA切成一块块长度约为150个碱基的小片段,然后计算机可以通过寻找两个相互匹配的基因片段而将基因组组合在一起。


而着丝粒会倾向于一遍又一遍地重复相同的碱基字母,并且它的长度可以延伸到数百万个碱基,所以在着丝粒中,许多小片段看起来非常像。这给测序带来了很大的难度,因为这就好比是在拼一副全是蓝天的拼图,每一块拼图看起来都一样。


美国罗切斯特大学的进化遗传学家Amanda Larracuente是这项研究的主导人之一,她与她的研究团队使用了一种新的测序技术,可以对长度达到10,000到100,000个碱基的DNA片段进行测序。


Larracuente解释说,有了这种技术,就好比有了一幅更大的蓝天拼图,在这幅更广阔的图画中,我们或许能够捕捉到几缕云彩,从而减轻一点找出DNA片段是如何组合在一起的难度。除此之外,他们还使用了一些其他技术来将着丝粒的拼图组合在一起。有了这些技术,其他科学家也可以借用它们来填补其他生物体基因组中的空白。


这一次,研究人员终于将着丝粒的片段组合在了一起。他们发现,重复的DNA片段会被一些像“岛屿”一样的跳跃基因隔开,这种跳跃基因(或称逆转录转座子)是一些古老的可移动的DNA片段,它们有点类似于病毒,可以进行自我复制,并能将这些复制插入整个基因组的各个位置。


可以说,是转座子的存在塑造了人类的进化。但有时,这种跳跃基因也会造成伤害,比如当一个逆转录转座子在插入一个基因位点而破坏了一个重要的基因时,就会出现那些我们不想看到的情况。


每一个果蝇染色体的着丝粒都是独一无二的,尽管它们都具有相同基本结构的逆转录转座子(尤其是逆转录转座子G2/Jockey-3)岛屿,这些岛屿都被重复DNA的海洋所包围。研究人员发现,有63%的G2/Jockey-3副本存在于果蝇的着丝粒中,还有一些分散在基因组的其他地方。


这一结果或许意味着,转座子就像是一颗种子,围绕这颗种子能够形成新的着丝粒;又或者说,转座子可能只是比基因组的其他部分能更频繁地进入着丝粒。


在研究过程中,他们还发现了一条暗示着G2/Jockey-3可能会播种着丝粒的线索:一种关键的名为CENP-A的着丝粒蛋白依附在那些转座子岛屿之上。CENP-A是一种有助于固定着丝粒,将染色体分离成新的子细胞的蛋白质。而发现CENP-A就粘附在转座子上意味着跳跃基因在着丝粒中可能处于掌控地位。


康涅狄格大学的遗传学家Barbara Mellone是这项研究的另一位主要研究者。她介绍说,虽然植物、真菌、蝙蝠、长臂猿和人类的着丝粒也含有逆转录转座子,但没有人真正知道这些转座子是在“驾驶巴士”,还是只是在“搭一趟便车”。例如,有一些证据就表明转座子似乎只是乘客:在玉米中,着丝粒会先移动,然后才会有转座子的出现。


面对这些未知,研究人员希望通过这次对着丝粒结构的发现,他们可以在未来找到跳跃基因对于在正确的轨道上维持果蝇的着丝粒和染色体有何重要作用。


参考链接:


[1] https://www.sciencenews.org/article/fruit-fly-jumping-gene-chromosome-centromere

[2] https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3000241

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