Mol Biol Evol：tRNA基因形成分子遗传机理

　　

生物通报道：来自武汉大学生命科学学院的研究人员发表了题为“Genome-wide analysis reveals origin of transfer RNA genes from tRNA halves”的文章，阐述了tRNA基因形成的分子遗传与进化机制，这将有助于进一步理解新基因起源和形成机制，这一研究成果公布在Mol Biol Evol（IF=10.353）杂志上。

领导这一研究的是武汉大学生命科学学院周荣家和程汉华教授，第一作者为博士研究生左志向。这一研究组主要研究方向包括早期胚胎发育、分化和器官形成过程中所涉及的众多基因的时空表达与调控，以及动物及人类分子细胞生物学和分子发育遗传学方面的研究。

基因表达过程是将DNA上的遗传信息传递给mRNA, 然后再经过翻译将其传递给蛋白质。经由三联体密码配对，tRNA作为中介分子精确地执行着遗传信息传递者的使命。所有真核和原核生物的蛋白质生物合成都必须由tRNA参与完成。

在这篇文章中，研究人员阐述了tRNA基因形成的分子遗传与进化机制，tRNA半分子伴随反转座和反式剪接过程在tRNA基因形成过程中发挥重要作用。这一研究成果对于进一步理解新基因起源和形成机制提供了新途径。在医学领域，通过维护tRNA稳定性途径保护细胞功能也将具有重要意义。

此前这两位学者还曾在PLoS Genetics发表文章，在减数分裂表观遗传学调控研究中取得新突破。他们通过突变分析和转基因小鼠模型，鉴别了小鼠Miwi基因303bp的近侧启动子区域，这一区域调控了减数分裂过程中从中粗线期（midpachyten）精母细胞到圆形精细胞的特异表达。

研究人员鉴别了Miwi基因核心启动子内转录因子NF-Y（核因子Y）和USF（上游刺激因子）结合位点的特征，发现两种因子都特异性地结合并激活了Miwi启动子。近端启动子三个CpG岛的甲基化图谱揭示CpG岛甲基化状态和生殖细胞类型特异性Miwi表达之间存在显著的负相关性。在启动子E2盒（box）内USF结合位点的CpG甲基化抑制了USF的结合。转基因Miwi-EGFP和内源性Miwi揭示了Miwi-EGFP转基因小鼠生殖细胞内Miwi的亚细胞共定位模式。此外，Miwi启动子驱动转基因的DNA甲基化突破与内源性Miwi启动子相似，表明Miwi转基因通过体内甲基化作用发生了表观遗传学修饰确保了其时空表达。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Genome-wide analysis reveals origin of transfer RNA genes from tRNA halves

Transfer RNAs (tRNAs) play an important role linking mRNA and amino acids during protein biogenesis. Four types of tRNA genes have been identified in living organisms. However, the evolutionary origin of tRNAs remains largely unknown. In this paper, we conduct a deep sequence analysis of diverse genomes that cover all three domains of life to unveil the evolutionary history of tRNA genes from tRNA halves. tRNA half homologs were detected in diverse organisms, and some of them were expressed in mouse tissues. Continuous tRNA genes have a conserved pattern similar to indels, which is, more closely flanking regions have higher single nucleotide substitution rates, while tRNA half homologs do not have this pattern. In addition, tRNAs tend to break into tRNA halves when tissues are incubated in vitro, the tendency of tRNA to break into tRNA halves may be a “side-effect” of tRNA genes evolving from tRNA halves. These results suggest that modern tRNAs originated from tRNA halves through a repeat element-mediated mechanism. These findings provide insight into the evolutionary origin of tRNA genes.