华人科学家PNAS探讨“垃圾”DNA的新功能

　　

    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，一般而言，垃圾DNA片段是通过转座产生的，也就是说，一个DNA片段转移到了基因组的其他区域。因此，在这些区域一般都有多个转座子。

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    以前大家都认为垃圾DNA可能没有什么功能，但是越来越多的研究表明它们并非百无一用。近日来自爱荷华大学卡佛医学院的研究人员发现当一种特殊的DNA重复片段——Alu元件插入到基因中，它们可以改变蛋白质生成的速率，从而导致了不同物种中不同生物学特性的进化。这一研究结果发表在了国际著名期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上。

   “基因组重复元件为生成新的进化特性提供了条件，”论文的资深作者、爱荷华大学卡佛医学院及爱荷华大学工程学院内科系和生物医药系的助理教授Yi Xing博士说：“了解这些元件发挥功能的机制可使我们更深入地认识促成人类独特性状的遗传学机制。”

    Alu元件大约是在6000万年前随灵长动物的进化而出现的一种特殊的DNA重复序列。其他的哺乳动物基因组中不存在有Alu元件。在人类基因组中Alu元件是最常见的一种可移动DNA，并能够跳跃至基因组序列的其他位置。当他们插入到包含基因区域时，这些元件有可能转变为新外显子。尽管在十几年前科学家们就明确Alu元件是人类基因组中新外显子的重要来源，但是一直也无法确定这些新外显子是否真正具有重要的生物功能。

   “现在还很难讲这些Alu衍生的外显子在全基因组水平上发挥了什么作用，”Yi Xing说：“我们的新研究表明它们确实产生了效应，我们发现这些Alu元件改变了mRNA翻译为蛋白质的效率从而影响了蛋白质生成。”

    Yi Xing指出在其他情况下蛋白质生成速率的改变通常可导致疾病发生，这意味着影响蛋白质生成这一机制极可能会对生物体的特性产生重要的影响。

   “这或许不是人类与其他灵长类动物之间产生差异的唯一机制，但我们的研究结果表明由Alu元件生成新外显子是导致这些差异的一个重要过程，”Yi Xing说。

    在这一研究中，爱荷华大学的研究人员利用一种称为高通量RNA测序的新技术分析了来自人类小脑的1.2亿个RNA序列，进而对Alu衍生的外显子插入成熟RNA序列中的频率进行了定量，并由此确定了它们在基因中的插入位置以及最终蛋白质生成的蓝图。

   “我们发现这些外显子倾向于避开基因的蛋白质编码区域，插入到蛋白质编码区前面的5' UTR非编码区中，”Yi Xing解释道：“而这一部分区域通常对mRNA稳定性和蛋白质生成效率起重要的调控作用。”

    研究人员在检测这些新插入元件功能的实验中证实这一区域能够改变mRNA的翻译效率，这意味着这些元件改变了插入基因的蛋白质生成速率。

    此外研究结果还表明这些靶向基因的Alu外显子有可能发生了扩增。研究人员发现Alu外显子在编码锌指转录因子的基因中高度富集。过去的研究证实锌指转录因子是基因表达的主要调控因子，与人类和灵长类动物的进化有着重要的关联。由于这些转录因子调控着成千上万基因的表达，任何数量上的改变都可能对下游基因产生一系列的级联效应。

（生物通：何嫱）