华人科学家Nature子刊解析“垃圾DNA”

　　

生物通报道  来自北卡罗来纳大学医学院的研究人员在一项新研究中阐明了我们的每个基因中，所谓的“垃圾”DNA（又称暗物质）执行的一种重要的调控功能。新研究揭示：包含在暗物质中的片段信息有可能改变了基因的组装方式。

研究的资深作者、北卡罗来纳大学医学院药理学助理教授、Lineberger综合癌症中心成员王泽峰（Zefeng Wang，音译）博士说：“这些小的遗传信息序列告诉基因如何剪接，或是提高或是抑制剪接过程。本研究为解析基因暗物质开启了大门。它有助于我们更深入地了解突变或多态性影响基因功能的机制。”

这一研究发布在2013年1月的《自然结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）杂志上。

剪接的过程，或许可与电影行业的剪片过程相比，一些电影胶片片段被拼接到一起，另外一些则最终被弃之在剪辑室的地板上。

从DNA的角度来看，并非每个人类基因中的所有DNA片段都负责编码功能蛋白质；只有10%的，称作“外显子”的编码区域DNA才具有此功能。其余90%的填补中间区域的遗传材料是称之为“内含子”的暗物质。

在信使RNA(mRNA)的最终加工过程中，有一些不可思议的事情发生于内含子。只有特异的外显子有可能被纳入到基因最终生成的mRNA中，而内含子会被切除并遭到破坏。

因此不难理解，为何外显子会吸引更多的科学关注。王泽峰说：“当人们在探究某种疾病的遗传学之时，大部分的时间他们都在寻找编码序列的改变。然而90%的序列都隐藏在基因的内含子中。因此，当你研究引起疾病的基因变异或是多态性时，你只能注解外显子中的部分。而其他的大部分由于存在于内含子中，则仍然难以获得解释。”

在完成基因组测序计划后，研究人员随后开展的DNA和RNA测序揭示：90%的人类基因存在的剪接变异体均不止一个。在信使RNA加工过程中，大部分的人类基因被剪切和黏贴成了不同的功能性亚型。

在这一称之为选择性剪切的过程中，单个基因可以编码生成具有不同生物学功能的多种蛋白。通过这种选择性剪接方式，人类基因组支配合成的蛋白质数量，远比2万种蛋白质编码基因预计生成的蛋白质数量要多得多。

王泽峰说：“这些不同的版本有时是以不同或是相反的方式发挥功能。这是一个受到严格调控的过程，基因错误剪切或黏贴导致的剪接‘错误调控’可引起大量的人类疾病。”

在新研究中，王泽峰的研究同事发现了一些“内含子剪接调控元件”，并证实这些新增的蛋白因子可以增强或是抑制剪接过程。

研究人员通过采用将一个内含子插入到绿色荧光蛋白（GFP）“报告”基因中的方法获得了研究发现。报告基因的这些内含子携带着随机DNA序列。当对报告基因进行筛查时，显示绿光则表明内含子部分发生了拼接。

王泽峰解释说：“默认设置为黑暗，因此只有剪切增强子或是沉默子才能让它变绿。以这种无偏倚的方式，我们可以找到成百上千抑制或增强剪接的序列。”

研究的合作者们将包含GFP报告子的细胞库集中到了一起。当研究人员检测内含子试图确定某一特异的遗传信息片段的作用，以及对于基因功能的影响时，他们就可以参考这一增强子或沉默子剪接调控库。

王泽峰说：“结果表明，外显子和内含子中的序列元件都可以调控剪接过程。我们将之称为剪接代码，这一信息会告诉细胞以哪种方式进行剪切。现在我们可以聚焦内含子中的这些不同的DNA序列，看看它们是否真的影响了剪接，还是改变了外显子的编码方式，由此影响了蛋白质功能。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

A complex network of factors with overlapping affinities represses splicing through intronic elements

To better understand splicing regulation, we used a cell-based screen to identify ten diverse motifs that inhibit splicing from introns. Motifs were validated in another human cell type and gene context, and their presence correlated with in vivo splicing changes. All motifs exhibited exonic splicing enhancer or silencer activity, and grouping these motifs according to their distributions yielded clusters with distinct patterns of context-dependent activity. Candidate regulatory factors associated with each motif were identified, to recover 24 known and new splicing regulators. Specific domains in selected factors were sufficient to confer intronic-splicing-silencer activity. Many factors bound multiple distinct motifs with similar affinity, and all motifs were recognized by multiple factors, which revealed a complex overlapping network of protein-RNA interactions. This arrangement enables individual cis elements to function differently in distinct cellular contexts, depending on the spectrum of regulatory factors present.