近日來自美國馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員在新研究中揭示了基因組保護自身免受DNA寄生序列入侵的分子機制，相關(guān)研究論文“Adaptation to P Element Transposon Invasion in Drosophila melanogaster”于12月23日發(fā)表在《細胞》（Cell）雜志上。  
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院細胞及發(fā)育動態(tài)部的William E. Theurkauf教授和生物信息學(xué)和整合生物學(xué)部的翁志萍（Zhiping Weng）教授。后者早年畢業(yè)于中國科技大學(xué)，1997年獲得美國波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)工程博士學(xué)位，2003年獲得波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系終身副教授職務(wù)。2008年起被聘為麻省大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子藥物學(xué)系正教授。主要從事基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的計算機分析及多細胞動物小RNAs的功能和調(diào)控研究。
基因組完整性對于生物個體和物種的維持均至關(guān)重要。而基因組中大量存在的轉(zhuǎn)座子等DNA移動元件則有可能對生物體遺傳完整性和穩(wěn)定性造成巨大的威脅而引發(fā)基因組突變。盡管有研究表明生物體通常會利用稱為Piwi互作RNAs（piRNAs） 的特異性小RNA分子引導(dǎo)蛋白質(zhì)去沉默基因組中的轉(zhuǎn)座子，然而到現(xiàn)在為止科學(xué)家對于這一關(guān)鍵性的生物系統(tǒng)對應(yīng)侵入新轉(zhuǎn)座子的機制還并不是很清楚。

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“基因組散落著這些轉(zhuǎn)座子，”Theurkauf教授說：“在果蠅中存在著120多種不同類型的轉(zhuǎn)座子。我們針對宿主-病原體反應(yīng)中的這些活性病原體展開了研究。此外，piRNAs也是從基因組中包含其中部分轉(zhuǎn)座子的區(qū)域中產(chǎn)生的，它們是沉默這些移動元件的基礎(chǔ)。”
為了了解基因組對應(yīng)新導(dǎo)入的轉(zhuǎn)座子的機制，Theurkauf及同事們將研究焦點放在了野生果蠅上。不同于實驗室標準條件下培育的果蠅，野生果蠅包含一種稱為P因子（P element ）的轉(zhuǎn)座子，它是科學(xué)家們在20世紀早期開始培育果蠅研究基因遺傳時發(fā)現(xiàn)的。實驗室培育的果蠅缺乏P因子轉(zhuǎn)座子及沉默它必需的母系遺傳的piRNA。當實驗室培育的雌性果蠅與帶有P因子的野生果蠅雜交時，子代會因為無法沉默這些導(dǎo)入的轉(zhuǎn)座子而導(dǎo)致不育。

Theurkauf實驗室博士生Jaspreet Khurana敏銳地觀察到當這些雜交果蠅長大時，它們獲得了生育能力。“基于我們觀察到這些果蠅恢復(fù)了生育能力，看起來似乎是它們學(xué)會了如何沉默這些轉(zhuǎn)座子。我們決定利用這一系統(tǒng)來研究對新轉(zhuǎn)座因子的適應(yīng)過程，”Theurkauf說。
利用包含新一代測序技術(shù)的跨學(xué)科方法，Theurkauf 及同事獲得了這些不育的雜交果蠅在不同的發(fā)育階段的全基因組序列。翁志萍教授實驗室的博士后王杰（Jie Wang，生物通音譯）對這些遺傳信息展開了分析，希望能解開基因組應(yīng)對新導(dǎo)入的轉(zhuǎn)座子的謎題。

獲得的研究結(jié)果讓他們非常驚訝。在這些雜交果蠅的后代中，新轉(zhuǎn)座子激發(fā)了一個破壞全部piRNA機制的反應(yīng)。不僅新導(dǎo)入的轉(zhuǎn)座子在基因組中跳躍導(dǎo)致了所預(yù)期的問題，研究人員發(fā)現(xiàn)果蠅基因組中的120多個轉(zhuǎn)座子中的大多數(shù)也變得活躍起來。“基因組的這種大規(guī)模的不穩(wěn)定時有可能是導(dǎo)致它們不育的重要原因。”
然而當這些雜交果蠅長大時，新轉(zhuǎn)座子和所有存在的固有轉(zhuǎn)座子均被關(guān)閉，生育能力得以恢復(fù)。“我們發(fā)現(xiàn)有兩種機制導(dǎo)致了轉(zhuǎn)座子沉默，”翁志萍說：“就P因子而言，結(jié)果是果蠅學(xué)會了處理從父本遺傳的piRNA轉(zhuǎn)錄物，并將他們轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓?piRNAs 來沉默這種轉(zhuǎn)座子。與之相反的是，固有轉(zhuǎn)座子跳躍到了piRNA 基因簇中，通過改變其結(jié)構(gòu)，生成新的 piRNAs來沉默固有元件。”

“我們研究的精要在于引入了一個新的轉(zhuǎn)座子，從而引發(fā)了可導(dǎo)致基因組中所有轉(zhuǎn)座子激活及雜交后代不育的危機，”Theurkauf說：“值得注意的是，另一方面，基因組結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變的生物體功能性地重新恢復(fù)了 piRNA基因簇，從而確保了更有效地沉默轉(zhuǎn)座子。”

來源：生物通