Science惊人发现：“非编码DNA”人类进化发育原动力

　　

在人类的基因组中，约有30亿遗传密码子编码人类所有的遗传信息。耶鲁大学的科学家发现，其中有少数的基因是促进人类进化的关键基因，比如说有些基因是促进人类直立行走的，有些基因是促进人类掌握制造工具的。

 

耶鲁大学的科学家对多种动物的基因组进行比较，包括人类基因组、猩猩基因组和猕猴基因组以及其他动物的基因组序列，相关的结果发表在Science上，通过基因组序列的比对，科学家发现进化的结果不仅仅是人类基因组序列发生了一些改变（导致基因发生改变），基因组上有些区域也发生改变，曾经认为这些改变导致DNA序列成为无功能DNA。

 

研究者发现，这些无功能的DNA区域其实在小鼠胚胎发育过程中对大拇指和大脚趾的发育其实有重要的意义。

 

耶鲁大学医学院遗传学助理教授，文章高级作者James Noonan说，我们的研究小组可能找出人与猿形态差异的遗传学机制。

 

科学家们一直怀疑基因上的一些改变是导致人猿殊途的原因，但是这方面的研究一直没有取得突破，因为大部分控制基因的序列没有被鉴定出来。在最近的几年，科学家发现基因组组上那些曾经认为是DNA垃圾的非编码的结构，其实具有重要的作用，其实这些非编码区保护上千个调控因子，他们都是基因表达开启的“开关”。

 

从研究的结果来看，非编码区的DNA序列是相当保守的，并且每个非编码区域结构序列都很相似，从人类到禽类等脊髓动物的非编码区都很相似。最近对非编码区DNA功能的研究发现，保守的非编码区直接控制人类发育。

 

耶鲁大学医学院的科学家与加州Lawrence Berkeley国立实验室、新加坡基因组研究所、英国医学研究委员会的科学家合作，Noonan研究了大量的人类基因组DNA非编码区，找出调控基因表达的非编码DNA序列，这一序列在人类从远古祖先猿人进化的过程中已经发生重要的改变。可以说，人类进化的结果是源自非编码DNA序列的改变。

 

Noonan和他的同事仔细的筛查人类基因组上的碱基对序列，他们找出进化速度最快的序列，命名为HACNS1。HACNS1在脊椎动物中高度保守，但是在大约600万年前，人类开始从猿人进化形成更高级的灵长类生物的时候，HACNS1上有16个碱基对发生了改变。这些结果是令人惊叹的，人类与黑猩猩的基因组是极其相似的，但是就是这些微小的变化促进了生物的进化步伐。

 

Noonan和合作者对小鼠的胚胎进行研究，观察HACNS1以及黑猩猩，猕猴的相关序列在胚胎发育过程中所起的重要作用。在人类进化的过程中，控制四肢发育的机制与其他动物不同，尤其是在前肢，大拇指，大脚趾内侧弯等地方。研究的结果还有待进一步证实，但是科学家们得出初步的理论是，人类HACNS1发生了一些改变，导致人类脚踝关节，拇指和手腕的发育控制与其他的动物不同。

 

Noonan猜测，是否HACNS1是否对人类四肢的发育产生重大的影响，如果将HACNS1导入小鼠的基因组，是否小鼠就能生成人类一样的四肢。

 

原文摘要：Human-Specific Gain of Function in a Developmental Enhancer

Science 5 September 2008: Vol. 321. no. 5894, pp. 1346 - 1350 DOI: 10.1126/science.1159974

 

【Abstract】

Changes in gene regulation are thought to have contributed to the evolution of human development. However, in vivo evidence for uniquely human developmental regulatory function has remained elusive. In transgenic mice, a conserved noncoding sequence (HACNS1) that evolved extremely rapidly in humans acted as an enhancer of gene expression that has gained a strong limb expression domain relative to the orthologous elements from chimpanzee and rhesus macaque. This gain of function was consistent across two developmental stages in the mouse and included the presumptive anterior wrist and proximal thumb. In vivo analyses with synthetic enhancers, in which human-specific substitutions were introduced into the chimpanzee enhancer sequence or reverted in the human enhancer to the ancestral state, indicated that 13 substitutions clustered in an 81–base pair module otherwise highly constrained among terrestrial vertebrates were sufficient to confer the human-specific limb expression domain.

（生物通 张欢）