Cell：改写认知，首次证实：“垃圾DNA”是胚胎发育的关键
2018-07-01 佚名 生物探索
在人的生命中，有一个阶段是一个双细胞的胚胎（two-celled embryo）。近日，发表在Cell杂志上的一项突破成果表明，胚胎发育能够通过这一阶段与先前被科学家们视为“垃圾”的一种DNA密切相关！
在人的生命中，有一个阶段是一个双细胞的胚胎（two-celled embryo）。近日，发表在Cell杂志上的一项突破成果表明，胚胎发育能够通过这一阶段与先前被科学家们视为“垃圾”的一种DNA密切相关！
图片来源：Cell（DOI： https：//doi.org/10.1016/j.cell.2018.05.043）
6月21日，在题为“A LINE1-Nucleolin Partnership Regulates Early Development and ESC Identity”的研究中，来自加州大学旧金山分校的科学家们证实，一种长期被认为要么是“基因垃圾”，要么是“有害寄生虫”（pernicious parasite）的“跳跃基因”（jumping gene）实际上是胚胎发育第一阶段的关键调节因子。
01跳跃基因
跳跃基因也叫转座子（transposons）。我们大约一半的DNA是由转座子组成的。它们是一种病毒样（virus-like）的遗传物质，具有在基因组中不同位置“复制和插入”自己的特殊能力。研究人员曾认为，转座子是基因组的“寄生虫”，它们自我复制，但对宿主没有任何作用。
然而，经过一系列的研究，科学家们发现，在进化过程中，一些转座子在基因组中留下了成百上千的拷贝。虽然大多数这些“偷渡者”（stowaways）被认为是惰性的、不活跃的，但也有一些会通过“改变或破坏细胞的正常基因程序”来制造破坏，并与一些疾病（如某些癌症）相关。
Embryos at the two-cell stage， represented in this illustration， need an unusual mobile DNA sequence to keep developing.ORB 22/SHUTTERSTOCK
02重要发现
在这项新研究中，由发育生物学家Miguel Ramalho-Santos博士带领的团队发现，最常见的转座子LINE1（占人类基因组的24%）实际上是胚胎发育通过双细胞阶段（two-cell stage）所必需的。
Two-cell mouse embryo stained for LINE1 RNA (magenta)， which is expressed in the two cell nuclei. Credit Ramalho-Santos lab / UCSF
事实上，Ramalho-Santos博士自2003年首次创办他的实验室以来就对转座子非常感兴趣。他先前曾发现，胚胎干细胞和早期胚胎表达了高水平的LINE1。既然包括LINE1在内的转座子被认为是“无用的”或者“有害的”，那么，早期胚胎为何要表达高水平的LINE1呢？这不是在“玩火”（playing with fire）吗？
为了确定小鼠胚胎中高水平的LINE1 RNA是否真的对动物的发育非常重要，论文第一作者Michelle Percharde博士从小鼠胚胎干细胞中去除了LINE1 RNA，以观察这种处理带来的影响。令她吃惊的是，她发现，去除LINE1 RNA的这些细胞中的基因表达模式发生了变化，恢复到了受精卵第一次分裂后在双细胞胚胎中观察到的模式。
接着，研究小组尝试从受精卵中去除LINE1，结果发现，胚胎完全失去了通过双细胞阶段的能力。也就是说，当缺乏LINE1 RNA时，小鼠胚胎会停滞在双细胞阶段。而如果一个胚胎不能通过这个阶段，它就无法发育成一个后代。
图片来源：Cell
进一步的实验表明，虽然LINE1基因在早期胚胎和干细胞中表达，但它的作用并不是将自己插入到基因组的其他部分（即发挥转座子传统的性能）。相反，它的RNA被困在细胞核中，与基因调控蛋白Nucleolin和Kap1形成了一种复合物。这种复合物对关闭调控胚胎双细胞状态的主要基因程序，以及启动胚胎进行进一步细胞分裂和发育所需的基因是必要的。
Ramalho-Santos博士推测，像LINE1这样的转座子可能会使发育的早期阶段更加健壮，因为它们无处不在。由于LINE1在基因组中被大量重复，因此，1个突变几乎不可能破坏它的功能。如果其中一个拷贝出现问题，会有成千上万个拷贝来取代它。
03一些质疑
对于这些发现，康奈尔大学的Cedric Feschotte说：“这是一篇令人印象深刻的论文。”
然而，也有一些研究人员对这项成果持怀疑态度。约翰霍普金斯大学的遗传学家Haig Kazazian说：“我们的基因组中布满了约50万份LINE1的拷贝，其中，很多拷贝是插入在基因内部的。该研究中，科学家们用一些技术阻断了LINE1 RNA的表达，但这也可能会关闭这些基因。因此，他们观察到的影响可能是由基因失活导致的，而不是由LINE1 RNA表达减少引起的。他们可能破坏了早期发育中的一些关键基因。”
研究人员表示，取得这些成果，他们花了5年时间，希望这些发现能够说服其他科学家关注跳跃基因的功能。“科学家们在蛋白质编码基因方面做了很多工作，但它们仅占整个基因组不到2%，而转座子则占据了基因组的近50%。我个人非常乐意继续探索转座子在发育和疾病中的新功能。”Percharde博士补充道。
原始出处：
Percharde M, Lin CJ, Yin Y, et al.A LINE1-Nucleolin Partnership Regulates Early Development and ESC Identity.Cell. 2018 Jun 19. pii: S0092-8674(18)30655-X. doi: 10.1016/j.cell.2018.05.043. [Epub ahead of print]
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