改造跳跃基因为小鼠基因功能研究提供强大工具

生物通快讯：Johns Hopkins的科学家成功将一种普通的在人类基因组中发现的“跳跃基因”改造成为一个能够在小鼠和人类细胞中比原来活跃数百倍的“跳跃基因”。 发表于5月20日的Nature上的一篇文章中，研究人员表示这种人造跳跃基因使得在无需事先了解那个基因被敲除的情况下，随机构建缺失至少一个基因的基因工程小鼠成为可能，而这种随机敲除基因的技术对于其他动物的遗传研究非常重要，同时将有助于了解跳跃基因在人类的健康与疾病的历史上的作用，以及潜在的价值。

跳跃基因（aka retrotransposons，也就是转座子，生物通网站注），是能自我复制并在生物的基因组中转移的小片段遗传物质，它们可能会关闭他们所“登陆”的基因，并被认为是推动进化的遗传漂移（genetic shifts）的动力之一。像酵母这样的有机体的基因组中只有几十个跳跃基因，但是哺乳动物的基因组中则含有成百上千个拷贝的跳跃基因，这使得了解跳跃基因发生的时间和地点变的很困难，由于存在转座子插入后再次离开的情况，有时甚至是否发生过转座子插入都无法知道。 

在发表于Nature上的另一篇论文中，医学博士生Jeffrey Han和Boeke报道说，人类的跳跃基因相对是“沉睡”的，因为细胞很难读懂跳跃基因的指示。研究人员通过替换细胞偏爱密码子，研究人员构建出一个高活性的人造跳跃基因——足以应用于小鼠身上。

人类和小鼠共有的一类被称为L1反转座子的跳跃基因，它们中的一些很“年轻”并仍然很活跃，但是大多数是“生锈的废船”，大概占到我们的DNA的30％。但是即使是这种“年轻”的跳跃基因也还没有活跃到能够有效地引起可以在小鼠中传代的遗传变异。

研究者报道说，这一原因是人类的跳跃基因的信息中某一个碱基过多而其他三种碱基不足，这种不均衡阻碍了细胞将DNA转录成RNA，因而转录过程被放弃。 为了“修改”这些遗产信息，Han利用了这样一个事实：即同一个氨基酸可以对应几组三联密码子。在不改变对应氨基酸的条件下，改造大部分原始DNA的三联密码子，研究人员在不改变其蛋白的情况下平衡了基因中碱基的分布。研究人员申请一项有关人造基因的临时性专利。

Han发现哺乳动物细胞容易接受这个人造基因，能将其遗传信息转录成RNA，然后再翻译为能帮助基因跳跃的蛋白。在跳跃基因活性的标准实验中，人造基因跳跃次数比自然跳跃基因高200倍。 

通过将这种人造跳跃基因插入到小鼠胚胎细胞，科学家将能够对小鼠进行改造，即通过跳跃基因的随机插入得到随机的基因完全沉默或者仅仅是表达下调的小鼠，通过研究这些小鼠将有助于识别这些被转座子干扰的基因，揭示这些基因功能。

“这种“反向” 遗传学研究——就是通过随机阻断一个基因、再研究这个基因的功能、最后鉴别这个基因的过程—— 一直在研究果蝇和酵母基因中发挥重要作用，如今我们也可以用同样的方法相当有效地对小鼠进行研究。” Boeke说。他的实验室已经开始研发这种必要的技术。 

基于这个研究，Boeke认为这种基因的DNA并不是我们的基因组里的“垃圾”。相反，他认为跳跃基因的多重插入可能在形成区分人和鼠的进化方向的过程中扮演了一个重要角色。甚至到现在跳跃基因仍然影响到其他基因。

这些发现使得研究人员认为，除了完全关闭一个基因，跳跃基因还可以以另一种方式对进化发展和疾病的产生造成影响。即一个基因中存在这种“难以阅读的跳跃基因”可能会微妙地改变细胞对这个基因的利用程度。 “大约70％的人类基因含有一些自然存在的跳跃基因DNA片断，而且大的基因有多个碎片，甚至是完整的反转座子”，Boeke说。“这些难以转录片断很有可能减少这些基因转录的RNA产量，并且在某些情况下甚至会改变基因的信息从而改变了这种基因的蛋白质编码区域。”

为了检验这种理论模型的可能性，博士后Suzanne Szak调查了成千上万个常用和不常用的人类基因。结果发现包含多个这种“难读”的转座子片断的基因的使用频率显然比那些含较少或者较短转座子片断的基因低。“在基因中跳跃基因DNA片断的存在代表了基因组中的小实验，即如果这些变异有益或无害细胞或人，它们就会从一个细胞传递到另一个细胞或从一代传递到下一代，如果不是，这种变异就会（被淘汰）从基因组中淡出”，Boeke说。（生物通）