Plant cell:阐析“垃圾”DNA的新功能

【字体: 时间:2014年04月02日 来源:生物通

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  为了了解植物中这样大量的非编码DNA的重要性,加州大学伯克利分校的Diane Burgess和Michael Freeling鉴别了存在于各种植物物种,包括稻米、香蕉和可可中的许多保守非编码DNA序列(CNSs)。DNA序列高度保守,意味着在各种生物体中它们完全相同或是几乎一样,有可能在一些基本生物学过程中发挥重要的功能。

  

生物通报道  DNA分子编码遗传指令,使得细胞能够生成通常所需的成千上万的蛋白。由A、T、C和G碱基构成的线性序列,即所谓的编码DNA决定了基因将编码的特定蛋白质。但许多生物体细胞中的DNA远多于编码所有必要蛋白质之所需。这种非编码DNA看似无用,因而往往被称作为“垃圾”DNA。然而回想一下,事实上过去我们确实并不了解这些看似不必要的DNA序列的功能。

现在我们知道,非编码DNA具有一些除编码蛋白质之外的重要功能。许多的非编码序列生成了关闭/开启基因由此调控基因表达的RNA分子。另外一些包含增强子或是抑制元件。ENCODE(DNA元件百科全书)计划近期的研究工作表明,很大比例的非编码DNA(构成约95%人类基因组)在基因调控中发挥功能。因此,断定“垃圾”DNA没有功能还为时过早——我们需要做的是弄清楚它到底是什么!(延伸阅读:Science:新基因来自“垃圾”DNA  

为了了解植物中这样大量的非编码DNA的重要性,加州大学伯克利分校的Diane Burgess和Michael Freeling鉴别了存在于各种植物物种,包括稻米、香蕉和可可中的许多保守非编码DNA序列(CNSs)。DNA序列高度保守,意味着在各种生物体中它们完全相同或是几乎一样,有可能在一些基本生物学过程中发挥重要的功能。例如,编码核糖体RNA的基因就高度保守。生物无法容忍这一关键分子的序列发生改变,因此在数百万年的进化过程中核糖体RNA序列变化不大。

为了鉴别出最具高度保守性的植物CNSs,Burgess和Freeling将模式生物拟南芥(十字花科)与耧斗草(columbine,毛茛科远亲植物)的基因组进行了对比。系统树显示了他们研究的双子叶植物和单子叶植物之间的进化关系。分支点代表了两个物种从共同祖先处分歧的点。两种植物在130多万年前发生分歧,它们之间的共同序列有可能具有一些重要的功能。

他们在这些亲缘关系较远的物种中发现了200多种共同的CNSs。此外,其中59种CNSs也被发现存在于进化上更遥远的单子叶植物中,它们被命名为深CNSs。最终,他们证实其中有51种CNSs似乎存在于所有的开花植物中

那么这些深CNSs的功能是什么呢?研究人员通过分析这些CNSs相关的基因类型获得了一些线索。他们发现,几乎所有的深CNSs都与参与开花植物基本与普遍生物过程,如发育、激素响应、基因表达调控的基因相关联。而大多数的这些CNSs都与参与组织和器官发育、胚后期分化、开花和生殖结构生成的基因有关联。另外一些与激素和盐反应性基因或编码转录因子的基因有关。

此外,他们证实这些CNSs富集于一些转录因子结合位点,表明其中一些非编码DNA的功能是充当了组织基因表达机器的支架。他们发现的一些结合位点已知在其他植物中是响应生物和非生命压力、光和激素的必需序列。此外,他们发现一些CNSs生成的RNAs具有广阔的双链区域。这些双链区域已被证实与RNA的稳定、降解以及基因表达调控有关。在最具高度保守性的59种CNSs中有12种CNSs,与之相关的基因编码了与RNA互作的蛋白质产物。显然,这些DNA序列并不只是“垃圾!”

由于Burgess和Freeling鉴别出了开花植物中最具高度保守性的非编码DNA序列,未来科学家们将更清楚地了解侧重对哪些基因区域开展功能研究。这些预测的转录因子结合位点是否确实结合了已知或是新的转录因子?CNSs是否组织或是调控了基因表达机器?一些CNSs是否编码了调控植物中一些基本过程的RNAs?由于研究人员现在获得了这组有可能在植物基本细胞过程中起重要作用的深CNSs,解答这些以及许多相关的问题将变得更加的容易。

(生物通:何嫱)

生物通推荐原文索引:

Burgess, D., and Freeling, F. (2014). The most deeply conserved noncoding sequences in plants serve similar functions to those in vertebrates despite large differences in evolutionary rates. Plant Cell 10.1105/tpc.113.121905.

 

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