颠覆教条!“垃圾DNA”中发现了快速进化的基因之谜的关键

2020
11/20

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探酶 / E探索医学
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曾经被认为是惰性的“垃圾DNA”也有重要价值。

由于缺乏基因,异染色质(以绿色显示)曾经被认为是惰性的“垃圾DNA”,但是现在科学家发现它有一些非常重要的作用。

亿万年的进化将昆虫和哺乳动物分开,酵母和蠕虫之类的简单生物是如何进化为鸟类和哺乳动物这样的复杂生物的呢?一项针对基因组进行的广泛比较研究显示,问题的答案可能就隐藏在生物的垃圾脱氧核糖核酸(DNA)中。

美国科学家发现,生物越复杂,其携带的垃圾DNA就越多,而恰恰是这些没有编码的“无用”DNA帮助高等生物进化出了复杂的机体。而进化史上一个长期存在的难题是,为什么新的基因(似乎是凭空产生的)可以迅速接管对生物体生存至关重要的功能。

来自ScienceNews最新报道,“垃圾DNA”里发现了解开快速进化基因之谜的关键,新的研究发现必需基因可以快速进化,从而颠覆了进化论的教条。

一项关于果蝇的新研究表明,一些新基因很快变得至关重要,因为它们调节一种称为异染色质的DNA。一旦被认为是“垃圾DNA”,异染色质实际上可以完成许多重要的工作,包括像一个严密监视的监狱一样工作:它锁定了“不良行为者”基因,阻止了它们启动并造成伤害。

西雅图的弗雷德·哈钦森癌症研究中心(Fred Hutchinson Cancer Research Center)的进化生物学家Harmit Malik及其同事在11月的eLife上发表了研究成果,异染色质也是人体中变化最快的DNA片段之一,因此调节它的基因必须迅速适应才能保持健康。

芝加哥大学进化生物学家Manyuan Long,没有参与此项研究,Long表示,这项工作是一个里程碑,看到异染色质在基因进化中发挥如此重要的作用,真是太神奇了。

科学家们已经记录了许多基因的例子,似乎是从无到有,并赋予生物体一种新能力。例如,鱼体内的一个这样的基因会产生一种新的抗冻蛋白;另一种对苍蝇来说是飞行所必需的。

大约十年前,研究人员发现新基因不仅赋予新功能;实际上,某些可能是生存所必需的。对于黑腹果蝇来说,多达30%的必需基因是“新”的,其中一些是在300万年前才出现的——这在进化的时间尺度上只是一个瞬间。这一发现推翻了长期以来认为重要基因在进化过程中不会发生太大变化的观点

Malik的研究小组研究了果蝇家族中的一个大型基因组,这些果蝇可以调节其他基因-开启或关闭它们以完成细胞中的各种任务。研究发现,在大约70个基因组中,进化速度更快的基因更有可能控制果蝇的基本功能。事实上,快速进化的基因中有67%是必需的,而缓慢进化的基因只有20%是必需的

Malik说,这与您在生物学方面所能想到的完全相反。

研究小组发现一种新的必需基因,称为尼克纳克(Nicknack),可以对一种与异染色质结合的蛋白质发出指令,但具体细节尚不清楚。

为了进一步研究Nicknack能多快地接管一项基本功能,研究人员将黑腹果蝇 (D. melanogaster )的Nicknack基因替换为进化上最接近的近亲拟果蝇(D. simulans)中的Nicknack基因。这两种果蝇大约在250万年前分裂为果蝇的两个分支。科学家们通常认为拟果蝇(D.simulans)的Nicknack基因基本上与黑腹果蝇 (Drosophila melanogaster)中的Nicknack基因基本相同,因为它是必需的,因此在几百万年的短时间内(从进化角度来看)不会有太大变化。

他们通过将拟果蝇(D.simulans)的基因交换到黑腹果蝇 (D. melanogaster )来检验了这一理论,并期望如果基因相同,则交换将没有效果。但是,所有的雄性果蝇都死了,只有雌性果蝇在交换中存活得很好。

Malik认为性别差异与异染色质有关:Y染色体充满有大量异染色质。

Malik说,仿佛拟果蝇(D.simulans)的[Nicknack基因]插进来了,它足以在雌性果蝇中发挥其功能,但在雄性果蝇身上却不能,因为那里包含有一大量异染色质。换句话说,一个物种的基因与另一个物种的基因是不匹配的。

结果表明,自两个物种分裂后的250万年里,黑腹果蝇 (D. melanogaster )进化出了自己版本的Nicknack。而且由于交换对雄性产生了不利影响,他们的Y染色体中存在大量异染色质,研究人员得出结论,Nicknack在调节异染色质方面一定发挥了重要作用。由于异染色质进化得如此之快,Nicknack基因也必须进化得很快,所以它不会被淘汰。

那么如果新基因是必不可少的,那么以前的生物没有它们怎么生存?Malik认为有两种可能性:一个是祖先的基因将其功能让给了一个新基因;另一个是新基因具有祖先生物不需要的功能。今天的物种面临着祖先没有的问题,而这些新问题需要新的解决方案。但是“如果这些异染色质序列的进化实际上首先导致了对这种基本功能的需求,那又会怎样呢?”

接下来,Malik希望做更多的研究来了解Nicknack的确切功能。这可能有助于阐明异染色质在决定进化速度和过程中的作用。他说,科学家们刚刚开始了解这些“垃圾DNA”,在很多方面绝不是垃圾。

这一发现在识别与各种医学状况和生物学奥秘有关的基因很重要。如果仅查看在人类、酵母和果蝇中完全保守的基因,那么您可能会错过真正重要的基因,它们可能成为潜在的治疗靶标。我们已经让我们的直觉和教条将我们偏向某种程度,以至于我们可能会错过许多重要的生物学知识。

来源:ScienceNews、网络等。

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关键词:
DNA,基因,垃圾DNA

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