Nature：合成DNA揭示了不同進化階段活細胞之間的神秘差異

來源：作者：人氣：-發(fā)表時間：2024-03-08 15:01:00【大中小】

摘要：　一項新的研究發(fā)現(xiàn)，“隨機DNA”在單細胞真菌酵母中自然活躍。

一項新的研究發(fā)現(xiàn)，“隨機DNA”在單細胞真菌酵母中自然活躍，而在哺乳動物細胞中，這種DNA在其自然狀態(tài)下被關(guān)閉，盡管它們在10億年前有共同的祖先，并且具有相同的基本分子機制。

這項新發(fā)現(xiàn)圍繞著DNA遺傳指令首先轉(zhuǎn)化為一種名為RNA的相關(guān)物質(zhì)，然后轉(zhuǎn)化為構(gòu)成身體結(jié)構(gòu)和信號的蛋白質(zhì)的過程展開。在酵母、小鼠和人類中，基因表達的第一步，轉(zhuǎn)錄，是DNA分子“字母”(核堿基)在一個方向上被讀取時進行的。雖然80%的人類基因組——我們細胞中的全套DNA，被積極地解碼成RNA，但實際上只有不到2%的基因編碼指導(dǎo)蛋白質(zhì)的構(gòu)建。

基因組學(xué)中一個長期存在的謎團是，所有這些非基因相關(guān)的轉(zhuǎn)錄是如何完成的。它只是噪音，是進化的副作用，還是有它的功能?

紐約大學(xué)朗格尼健康中心(NYU Langone Health)的一個研究小組試圖通過創(chuàng)造一個巨大的合成基因來回答這個問題，該基因的DNA編碼與自然母體的順序相反。然后，他們將合成基因放入酵母和小鼠干細胞中，觀察它們的轉(zhuǎn)錄水平。

這項新研究發(fā)表在3月6日的《自然》雜志上，揭示了酵母的遺傳系統(tǒng)是這樣設(shè)置的，幾乎所有的基因都在持續(xù)轉(zhuǎn)錄，而在哺乳動物細胞中，同樣的“默認(rèn)狀態(tài)”是轉(zhuǎn)錄被關(guān)閉。

這項發(fā)表在《自然通訊》雜志上的研究不僅揭示了IncREST是應(yīng)激反應(yīng)的關(guān)鍵組成部分，而且還可能是對抗各種癌癥的有效治療靶點。

圖1 反向合成序列揭示默認(rèn)的基因組狀態(tài)

有趣的是，該研究的作者說，代碼的反向順序意味著酵母和哺乳動物細胞中進化的所有開啟或關(guān)閉轉(zhuǎn)錄的機制都不存在，因為反向代碼是無意義的。然而，就像鏡像一樣，反向密碼反映了自然密碼中的一些基本模式，包括DNA字母出現(xiàn)的頻率、它們靠近的位置以及它們重復(fù)的頻率。由于反向代碼有10萬個分子字母長，研究小組發(fā)現(xiàn)它隨機包含了許多以前未知的代碼的小片段，這些代碼可能更頻繁地開始轉(zhuǎn)錄，并在哺乳動物細胞中停止轉(zhuǎn)錄。

“了解不同物種之間的默認(rèn)轉(zhuǎn)錄差異將有助于我們更好地了解遺傳密碼的哪些部分具有功能，哪些是進化的意外，這反過來又有望指導(dǎo)酵母的工程，制造新藥，或創(chuàng)造新的基因療法，甚至幫助我們找到隱藏在龐大密碼中的新基因。”通訊作者 Jef Boeke博士說。

這項研究也為以下理論提供了依據(jù)：酵母非常活躍的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)是固定的，因此外來DNA很可能被轉(zhuǎn)錄成RNA。外來DNA很少被注入酵母，比如病毒在復(fù)制自身時注入酵母。如果RNA構(gòu)建了一種具有有益功能的蛋白質(zhì)，那么這種編碼將作為一種新基因被進化保存下來。與酵母中的單細胞生物不同，哺乳動物細胞作為由數(shù)百萬個協(xié)同細胞組成的身體的一部分，每當(dāng)細胞遇到病毒時，它們就不那么自由地吸收新的DNA。酵母中的單細胞生物可以提供有風(fēng)險的新基因，從而加速進化。許多監(jiān)管機制保護微妙平衡的代碼。

圖2 合成HPRT1和HPRT1R的設(shè)計和構(gòu)建

大DNA

這項新研究必須考慮到DNA鏈的大小，人類基因組中包含30億個“字母”，有些基因長達200萬個字母。雖然著名的技術(shù)可以一個字母一個字母地進行改變，但如果研究人員從零開始構(gòu)建DNA，將大量預(yù)先組裝的代碼交換到一個細胞中，以取代自然對應(yīng)的細胞，對一些工程任務(wù)進行廣泛的改變，效率會更高。

由于人類基因非常復(fù)雜，Boeke的實驗室首先在酵母中開發(fā)了“genome writing”方法，將其應(yīng)用于哺乳動物的遺傳密碼。該研究的作者使用酵母細胞在一個步驟中組裝長DNA序列，然后將它們放入小鼠胚胎干細胞中。

在最新研究中，研究小組通過以反向編碼順序引入合成的101千堿基工程DNA -人類基因次黃嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶1 (HPRT1)，解決了轉(zhuǎn)錄在進化過程中如何普遍存在的問題。他們觀察到該基因在酵母中的廣泛活性，盡管缺乏啟動子的無意義代碼，即進化為轉(zhuǎn)錄開始信號的DNA片段。

此外，研究小組還發(fā)現(xiàn)了反向編碼中的小序列，腺苷和胸腺嘧啶構(gòu)建塊的重復(fù)延伸，已知可被轉(zhuǎn)錄因子識別，轉(zhuǎn)錄因子是與DNA結(jié)合以啟動轉(zhuǎn)錄的蛋白質(zhì)。作者說，只有5到15個堿基長，這樣的序列很容易隨機出現(xiàn)，可能部分解釋了酵母非常活躍的默認(rèn)狀態(tài)。

相反，將相同的反向編碼插入小鼠胚胎干細胞的基因組中，并沒有引起廣泛的轉(zhuǎn)錄。在這種情況下，即使進化的CpG二核苷酸(已知主動關(guān)閉(沉默)基因)在反向編碼中不起作用，轉(zhuǎn)錄也受到抑制。研究小組推測，哺乳動物基因組中的其他基本元素可能比酵母更嚴(yán)格地限制轉(zhuǎn)錄，可能是通過直接招募一種已知的沉默基因的蛋白質(zhì)組(多梳復(fù)合體)來實現(xiàn)的。

第一作者Brendan Camellato是Boeke實驗室的研究生，他說:“我們越接近將‘基因組價值’的無意義DNA引入活細胞，就越能更好地將其與實際的進化基因組進行比較。這可能會引領(lǐng)我們進入工程細胞療法的新前沿，因為植入更長的合成dna的能力使我們能夠更好地了解基因組能夠耐受的插入物，也許還能包含一個或多個更大、完整的工程基因。”

參考資料

[1] Synthetic reversed sequences reveal default genomic states