华裔博后等《自然》发现DNA遗传新机制

　　华裔博后等《自然》发现DNA遗传新机制

　　生物通报道：来自普林斯顿大学生态学及进化生物学系（Department of Ecology and Evolutionary Biology），电子工程系的研究人员发现了一种新的生物机制，为了解细胞内容工作打开了一面更清晰的窗口，而且这一机制描述了一种“表观遗传学”途径，有助于科学家们更深入的研究旁支DNA遗传机制。这一研究成果公布在《Nature》在线版上，将于1月10日出版。

领导这一研究的是普林斯顿大学的生物学家Laura F. Landweber，参与研究的还包括她的博士后研究员周毅（Yi Zhou，音译，生物通注）及Mariusz Nowacki。

这一研究也为调控细胞过程，比如DNA片段的剪接提出了一种新方法，以及增加了对于自然细胞调控过程，比如DNA何处的片段在发育过程中会保留下来的了解。

表观遗传学是与遗传学（genetic）相对应的概念，指的是基于非基因序列改变所致的基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等，即所谓的拉马克演化（Lamarckian evolution，生物通注），比如说长颈鹿的脖子长度是由于为了够得到顶端更加丰富的树叶，获得更好的生存条件进化而来的。

周毅等人为了了解细胞如何完成这些工作——不改变原有遗传程序重组基因组，选择了单细胞原生动物纤毛虫Oxytricha trifallax（生物通注）作为研究对象。

Oxytricha trifallax生活在淡水里，作为生物学的实验动物已经有100多年历史了，对理解细胞活动作出了许多贡献。它拥有约3万个基因，与小鼠不相上下，但基因组大小却只有老鼠的1/60左右。这表示它的DNA序列中“垃圾”很少。对它进行测序将给遗传学研究带来非常有意义的新启发——而且省钱。

当两个纤毛虫进行配对的时候，细胞核就会分裂进行重构，生殖细胞核中有95％的DNA会在一种新细胞核再生过程中被压缩，这个过程需要将相对于人类基因组三分之一大小的基因组包装成一个小片段，只留下5％的DNA能用于编码功能。但是这部分保留下来的DNA能被正确选择，然后由细胞解读形成一个新的工作基因组，这个过程被称为基因组杂技（genome acrobatics，生物通注），至今这个过程虽然被详细研究过，但是了解的并不是很多。

通过一系列的实验，研究人员发现DNA或RNA分子能提供在发育过程中丢失了的“指导手册”，并且试图分析想象中模板是由RNA还是DNA组成的。DNA是大多数生物的遗传物质，但是我们也知道RNA在多样性方面也扮演了一个重要角色。RNA是DNA的“远亲”，在蛋白构建的遗传编码解释中起着主要的作用。

为了搞清楚这一点，首先，研究人员尝试着确定RNA cache的这一想法是否有效，他们将特异性RNA干扰物质，即RNAi在fertilization前导入到细胞中，这一实验获得了明确的结果：扰乱了发育过程，甚至在一些实验中停止了DNA重组。

在第二个实验中，周毅和Nowacki发现RNA模板确实存在于早期细胞发育过程中，并且存在时间之久能设计构想出重构主要细胞核的模式。这之后研究人员紧接着做了第三个实验，Landweber认为，“这意味着重新编程细胞会导致其自身遗传物质shuffle。”

周毅和Nowacki，与另外一位普林斯顿电子工程系研究生Vijayan一同构建了人工RNA模板和DNA模板，这些模板都是编码一种新颖的，预定（pre-determined，生物通注）模式，也就是说，这将采用纤毛虫的DNA模式，比如1-2-3-4-5片段，调换其中的两个产生1-2-3-5-4片段。将这种人工合成的模板注入到发育中的细胞立，得到了预计的结果，这说明特异性RNA模板能为这样的途径中解读细胞核片段提供一套新的规则。

台湾中研院分生所所長的姚孟肇博士表示，“这一重要的发现首次说明RNA能提供指导DNA精确重组的序列信息，导致生物生长需要的基因和基因组的重构”，“这揭示出遗传信息能通过RNA，而不是DNA传递给下一代。”

如果这一机制能延伸到哺乳动物细胞，那么这也许就指出了一种操作基因的新方式，这种新方法不同于已知的标志基因工程的方法，能应用于获得逆转不正常细胞的基因。
（生物通：张迪）

原文摘要：
Nature advance online publication 28 November 2007 |
doi:10.1038/nature06452; Received 3 August 2007;
RNA-mediated epigenetic programming of a genome-rearrangement pathway
『Abstract』

名词解释：

1.表观遗传学

 表观遗传学是与遗传学(genetic)相对应的概念。遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等；而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等；表观基因组学(epigenomics)则是在基因组水平上对表观遗传学改变的研究。所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。正常情况下，人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，人类基因组中大小为100—1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态，并且与56％的人类基因组编码基因相关。人类基因组序列草图分析结果表明，人类基因组CpG岛约为28890个，大部分染色体每1 Mb就有5—15个CpG岛，平均值为每Mb含10．5个CpG岛，CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系[9]。由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。

附：
Laura Landweber

Research in my laboratory combines multiple approaches - from comparative bioinformatic sequence analysis to functional experiments - to study early molecular evolution, the origin of the genetic code and genetic systems, and how cells and DNA solve biological problems, such as the creation and assembly of genes.

The current explosion of activity in molecular biology has permitted us to study the process of evolution at its most fundamental level. DNA sequence analysis, for example, has provided us with insight into the mechanisms of selection and evolution at the level of the gene. The discovery of catalytic RNA, furthermore, has led to advances in the study of the origin of life, and suggests that there are other "molecular fossils," or primitive biological mechanisms, still present in modern species. Protists, in particular, have surprised molecular biologists with a bewildering diversity of gene organization, from the impressive scrambled genes in ciliates to bizarre forms of RNA processing, including splicing and RNA editing, and an abundance of nonstandard genetic codes. Therefore they seem to be the natural place to study primitive or aberrant genetic systems.

Gene unscrambling appears to be a recent invention in a lineage known as stichotrichous ciliates. A major focus of our laboratory recently has been to understand how these genes become reordered from so many dispersed parts with every round of conjugation (inset), and also how these genes became scrambled over evolutionary time. Both processes of editing and unscrambling manage to assemble patchwork genes from their constituent pieces, but at different levels (RNA or DNA) and via very different routes. In gene unscrambling, disordered DNA fragments become linked together in the correct order and orientation by the presence of short direct repeats, termed pointers, at their ends. The process of matching up these DNA sequence words like AATAAGC, uniquely present at the end of piece 3 and the beginning of piece 4, for example, permits the assembly of protein-coding genes from 48 or more scrambled bits (Landweber et al. PNAS 2000). This pathway resembles an intrinsically computational route.

Functional evolution experiments use the powerful new technology of in vitro genetics to select RNA molecules with desired properties from large pools (10^15) of random sequences. The steps involve an iterative procedure of selection (usually on an affinity column or by a functional assay) and PCR amplification of the rare sequences. We have used this approach to test the emergence of catalytic function from random RNA sequences (Landweber and Pokrovskaya PNAS 1999) and also to develop robust quantitative tests for the role of RNA-amino acid interactions in the origin of the Genetic Code (see Knight and Landweber 1998, 2000). Perhaps surprisingly, this same in vitro selection procedure also allowed us to construct a molecular computer out of RNA that can find solutions to small mathematical search problems (Faulhammer et al. PNAS 2000). The ability to isolate new ribozymes from random sequences (e.g. Landweber and Pokrovskaya PNAS 1999) has fueled a new excitement about the possibility of discovering early pathways of RNA evolution (e.g., Freeland et al. 1999). Ultimately, this will make the world of possible primordial enzymes accessible even when the molecules are no longer present in modern species.