《Cell》“垃圾”DNA的新启示

　　

生物通报道  所有动物都有大量冗余的垃圾DNA，它们和其他DNA一样，都是遗传材料，但不能编码用于建造动物身体、加速细胞内化学反应的蛋白质。在我们的基因图谱中，实际上只有2%的DNA能够编码蛋白质。1972年，已故遗传学家大野乾(Susumu Ohno)发明了“垃圾DNA”这个术语，用以表述所有不能编码蛋白质的DNA片段，其中大多数片段都是一些重复序列，随机散步在整个基因组上。以前大家都认为垃圾DNA可能没有什么功能，然而近年越来越多的研究表明它们并非百无一用。

来自瑞士洛桑联邦理工学院和日内瓦大学的科学家们近日在新研究中破解了影响我们四肢形成的遗传机制，令人惊讶的是研究结果表明基因仅在其中发挥了次要作用，真正对手指形成起决定性作用的是7个协同作用调控基因表达活性的增强子。这一遗传学领域的重大发现将推动科学家们更好地了解连指、多指及异常短指（(Kantaputra综合征)患者在基因序列正常的情况下疾病遗传的相关机制。这一研究成果在线发表在11月23日的《细胞》（Cell）杂志上。

基因组上的涡轮

基因组中仅有2%的DNA序列构成了编码基因，其他的序列例如增强子则通常是在关键时刻发挥促进基因活性的作用。“我们在新研究中发现与手指形成相关的一个基因群受到了7个增强子的调控，这些增强子并非‘各自为政’，而是相互联系协同作用，”文章的首作者、瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员Thomas Montavon说

胚胎期手指形成之初，DNA串列发生折叠，位于串列上不同位点的增强子开始相互接触，将各种蛋白聚集到一起刺激基因活性表达，调控手指生成。当其中的一个增强子发生缺失时，手指长度会变短，或是形成异常形状。两个增强子缺失将导致更明显的缺陷。全部增强子功能缺失则会导致基因活性抑制，手指形成停留在初始阶段。

关于DNA是以何种机制折叠确保增强子正常发挥功能的，这一问题在新研究中尚未得到很好的解释。这一研究的负责人、同时任职于瑞士洛桑联邦理工学院和日内瓦大学的Denis Duboule说：“在大脑等其他组织中，DNA串列以不同的方式折叠。据我们所知，只有在手指中才形成这种涡轮式的折叠形状。”

解释进化多样性

从统计学的角度而言，与手指形成相关的7个增强子提供了7次突变发生的机会。这一灵活的机制不仅可引起手指遗传性畸形，同样还可能导致了自然生物界中动物上下肢以及其他附属物之间的变异。例如一些有蹄类动物仅具有单趾，鸵鸟却有双趾，而人类则具有五指（趾）。其他一些遗传进程也有可能基于相似的原理。这或可帮助解释除手指之外进化的多样性。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

A Regulatory Archipelago Controls Hox Genes Transcription in Digits

The evolution of digits was an essential step in the success of tetrapods. Among the key players, Hoxd genes are coordinately regulated in developing digits, where they help organize growth and patterns. We identified the distal regulatory sites associated with these genes by probing the three-dimensional architecture of this regulatory unit in developing limbs. This approach, combined with in vivo deletions of distinct regulatory regions, revealed that the active part of the gene cluster contacts several enhancer-like sequences. These elements are dispersed throughout the nearby gene desert, and each contributes either quantitatively or qualitatively to Hox gene transcription in presumptive digits. We propose that this genetic system, which we call a regulatory archipelago, provides an inherent flexibility that may partly underlie the diversity in number and morphology of digits across tetrapods, as well as their resilience to drastic variations.