异染色质重量级发现：蛋白编码基因及RNAs编码序列等

过去，难以测序、高度重复且基因贫乏的异染色质（heterochromatin）被称为“垃圾”。最近，美国劳伦斯-伯克利实验室研究人员对黑腹果蝇异染色质DNA（不同于简单重复）进行了全面分析，在异染色质中鉴别出200多个蛋白编码基因，还发现许多编码非蛋白编码RNAs（non-protein-coding RNAs）和其它功能元件如抑制转位因子的小RNA的序列。详细结果刊登于6月15日《Science》杂志两篇文章。

　　

生物通报道：过去，难以测序、高度重复且基因贫乏的异染色质（heterochromatin）被称为“垃圾”，如同宇宙中的暗物质，这些垃圾的真实身份一直不为人知。最近，美国劳伦斯-伯克利实验室（Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory）Gary Karpen率领果蝇异染色质基因组计划（Drosophila Heterochromatin Genome Project，DHGP）小组，对黑腹果蝇异染色质DNA（不同于简单重复）进行了全面组装、绘图和功能分析，证实异染色质不仅仅含有垃圾。

Karpen说，大多数科学家认为异染色质基本上没有功能，是因为异染色质似乎缺少常染色质中常见的蛋白编码基因。最近几年的研究结果显示，异染色质对于许多重要功能非常关键。DHGP最近在异染色质中鉴别出200多个蛋白编码基因，还发现许多编码非蛋白编码RNAs（non-protein-coding RNAs）和其它功能元件如抑制转位因子的小RNA的序列。详细结果刊登于6月15日《Science》杂志两篇文章。

伯克力实验室研究人员Susan Celniker说，果蝇是研究基因组特别是异染色质的理想模型。果蝇有1/3的DNA都位于异染色质中，雌性果蝇的异染色质大约有60 megabases，雄性果蝇的大约为100Mb。异染色质集中在着丝点和端粒。异染色质和常染色质都是用全基因组鸟枪测序法测序。Celniker等解剖果蝇，获得两种型号的DNA片段文库，一种为2 kb，一种为10 kb。

伯克力实验室2000年3月《Science》文章报道的首个果蝇“全面彻底”基因组测序结果还很不完善，只是对常染色质进行了分析，几乎没有异染色质，丢失了1/3多的基因组。此次，Celniker等人的研究重点放在着丝粒和端粒的异染色质上。序列重复是异染色质的一大特征，有好几种形式的重复序列，短重复（short repeats）被称作卫星DNA，在着丝点附近很多，总计达数百数千甚至上万bases。在卫星DNA的“海洋”中，还有中等重复序列的“岛屿”，这些岛屿总共只有几十或几百kb，形成转位子。

异染色质的其它区域是转位子的海洋，海洋中的岛屿是单拷贝基因或编码RNAs（与mRNA不同）以及其它功能元件的DNA序列。适度重复的片段如转位子和单拷贝基因由相对数量较多的相同或完全不同的序列拷贝组成。研究人员使序列按照其在染色体上的实际位点“对号入座”，测序和绘图工作为下一步分析果蝇异染色质的功能打下基础。

旧金山州立大学生物信息学副教授Chris Smith说，为了弄清这些“垃圾”是否有信息，我们利用流水线计算机程序分析原始序列数据以寻找基因，比如通过鉴别代表基因结合位点或者启动子的密码子形式，然后寻找与实验得来的mRNA相匹配的异染色质序列。“这些寻找基因的标准方法，在常染色质中执行起来相很容易，在异染色质中就比较难了，因为这里有太多的重复（序列）。”

Smith与其同事在异染色质中找到230－254个蛋白编码基因（之前认为只含有30－40个），其中许多与常染色质基因的组成方式不同，比如内含子较长，几乎全部是来自于无活性的转位子，说明调节异染色质基因的方式与调节常染色质基因的方式不同。除此之外，研究人员还发现13个不编码蛋白、只编码小RNA的单拷贝基因，以及假遗传因子（pseudogenes）——没有活性的不完整的基因。果蝇与高等生物相比，假遗传因子少的可怜（人类大约有20，000个），此次研究人员在果蝇异染色质中找到32个新的假遗传因子，是之前描述的2倍多。

异染色质是调节转位子的地方，有研究证实小干扰RNA形成于异染色质，搜索转位子并阻止其活性。Karpen强调，对染色体生物学进行的集中研究得益于表观遗传学（epigenetics）——染色体相关蛋白（而非DNA序列）控制遗传特征和遗传信息。表观遗传是在上世纪20年代在异染色质生物学研究中发现的，现在已经知道其调节许多重要功能如着丝粒的功能。果蝇的异染色质序列为鉴别与表观遗传有关的蛋白和成分提供了重要线索。（生物通 小粥）

"Sequence finishing and mapping of Drosophila melanogaster heterochromatin," by Roger A. Hoskins, Joseph W. Carlson, Cameron Kennedy, David Acevedo, Martha Evans-Holm, Erwin Frise, Kenneth H. Wan, Soo Park, Maria Mendez-Lago, Fabrizio Rossi, Alfredo Villasante, Patrizio Dimitri, Gary H. Karpen, and Susan Celniker appears in the June 15, 2007 issue of Science.

"The release 5.1 annotation of Drosophila melanogaster heterochromatin," by Christopher D. Smith, ShenQiang Shu, Christopher J. Mungall, and Gary H. Karpen appears in the June 15, 2007 issue of Science.

           

图：果蝇着丝粒异染色质，从富含基因的常染色质区（黑色）伸向染色体中心，异染色质已完成测序的区域为（蓝色），未测序的短重复“海洋”为灰色