別再叫它「垃圾」了——這個「跳躍」基因可能就是胚胎髮育的關鍵

07-05

來自專欄 DeepTech深科技

在你生命中的某個時刻，你還是個雙細胞胚胎，正翻著跟頭進行子宮「軟著陸」。一項新的研究表明，能完成這個基礎過程還要多虧了一種 DNA，而該 DNA 曾一度被諸多科學家當作「垃圾」。

康奈爾大學的 Cedric Feschotte 並未參與此項研究，但他表示：「這篇論文真是讓人印象深刻」。

人體中成千上萬的基因只佔了其基因組的一小部分。在其中較為常見的是被稱「跳躍基因」的DNA 序列——轉座子。這是因為這種 DNA 序列可以將其自身的拷貝重新定位或導入基因組中的不同位置。我們大約有一半的 DNA 由轉座子組成，研究人員一度認為它們是「寄生蟲」基因組，雖然可以進行自我複製，但對「宿主」沒有任何作用。

圖丨雙細胞階段的胚胎需要一個不尋常的移動 DNA 序列來保持其發育

然而，現在，科學家們認為這些序列對生長發育至關重要。研究人員發現，大約 25% 可幫助開啟或關閉基因的調控序列包含一些轉座子，這意味著它們所提供的 DNA 已為我們所用。也就是說，通常情況下，轉座子表現得像是個「不速之客」。例如，當一個轉座子闖入基因組中的新位置時，它就像是找到了一個「宜居之所」，但是它也可能引起致癌的突變。

發育生物學家 Miguel Ramalho-Santos 及其同事想要確定在胚胎髮育的過程中，轉座子 LINE1（占人體 DNA 的 17%）是一無是處還是有所貢獻。在複製過程中，LINE1 首先產生自己的 RNA 拷貝。隨後，酶將該 RNA 轉化回 DNA，插入基因組某處。「這種轉座子令人迷惑不解"，Ramalho-Santos 說。因為這發生在胚胎髮育的早期，這時候 DNA 的改變可能變為一場災難。通常情況下，細胞會抑制轉座子，但在胚胎早期，細胞則似乎放任其發展。「是細胞瘋了嗎？它們在玩火嗎？還是有什麼我們不知道的東西呢？」他問道。

圖丨轉座子（發光點）在這種雙細胞小鼠胚胎中普遍存在

Ramalho-Santos 及其同事找到了一種縮短 LINE1 跳躍機制的方法，並將這個問題付諸試驗。研究人員設計了阻斷了其複製過程的小分子，將細胞中 LIN1 RNA 的量減少了 80%～90%。隨後，科學家們測試了被束縛的 LINE1 在小鼠胚胎幹細胞中的作用。雖然這些細胞分裂產生專門的體細胞，但它們仍需要產生更多的胚胎幹細胞，以供繼續發育。研究小組發現，去除 LINE1 的 RNA 顯著降低了細胞的自身補充能力。

在自然的胚胎髮育中，LINE1 還有另一個獨立的功能。該團隊在最新的《細胞》雜誌中報道稱，當 LINE1 RNA 缺乏時，小鼠胚胎將停滯在雙細胞階段。人類胚胎在著床於子宮壁之前，就已經到達了這一階段。如果胚胎不能突破這個階段，就不會發展為一個個體。

科學家報告稱，儘管轉座子因能插入基因組而聞名，但 LINE1 的胚胎作用與這種能力無關。相反，轉座子的 RNA 與兩種蛋白質結合，可使雙細胞胚胎繼續發育。

研究結果表明，LINE1 轉座子在胚胎中也有好的一面，Ramalho-Santos 說：「它們不僅僅是自私的「寄生蟲」，同時對於我們人體來說，它們是內源的。沒有它們，也就沒有我們。」Feschotte 說，通過協助宿主細胞，轉座子也實現了其自私的目的。「看來這是發育的必由之路，人們無法擺脫。」

然而，一些研究人員也對這項研究結果持懷疑態度。約翰·霍普金斯大學巴爾的摩醫學院的分子人類遺傳學家 Haig Kazazian 指出，大約有 50 萬份 LINE1 的拷貝遍佈於我們的基因組，其中很多都在基因內。他說，技術研究人員在阻斷 LINE1 RNA 產生的同時也可能會關閉這些基因。因此，科學家觀察到的影響可能是由於這些基因失活，而非LINE1 RNA 減少。「在早期發育中，你可能在敲除某些關鍵基因。」他表示。

參考文獻