Cell：颠覆认知！胚胎发育竟缺不了“垃圾 DNA”

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Cell：颠覆认知！胚胎发育竟缺不了“垃圾 DNA”6 s/ ?* \# Q2 S" D" h, n
学术经纬 / 2018-06-22. F% s. r4 o; r! c; W8 Z
在人体的基因组内，仅有大约 1% 的 DNA 编码了蛋白质，而剩下 99% 的 DNA 究竟有啥用，也引起了长期以来的争论。经过过去十多年的研究，人们已经达成了一定的共识：许多非编码 DNA 有重要的调控作用，另一些 DNA 则像是演化过程中留下来的“垃圾”，只是细胞懒得把它们清除掉而已。
3 H5 b6 i" y% y& O% e+ A3 u9 J# u6 {, J为什么这么说呢？原来我们的 DNA 里有不少“跳跃基因”，它们看上去是病毒遗留下的产物，能从基因组的一个地方“跳”到另一个地方。有些“跳跃基因”甚至可以在基因组里“跳”上成百上千次，要把它们剔除出基因组可不是一件容易的事儿。幸好，其中的大部分基因序列都会保持“沉默”，不会在细胞里产生混乱。但仍然有一些不安分的“跳跃基因”会在细胞里搞事，干扰正常的生理活动，甚至引发癌症！% V% a* ]4 g0 g# Q
可以想象，当加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员们发现胚胎干细胞和早期胚胎中有大量“跳跃基因”表达时，他们的内心一定充满了不解。
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▲LINE1 在胚胎干细胞的细胞核中大量表达（图片来源：《细胞》）
! j: _& c4 ~: T. d6 E6 K“用常规的眼光看，这些早期胚胎简直是在玩火！”该研究的负责人 Miguel Ramalho-Santos 教授说道：“这一点都不合理。”
5 `( C$ q! I* v& wRamalho-Santos 教授团队发现的是一种叫做 LINE1 的“跳跃基因”。它在基因组里是最普遍的“垃圾 DNA”类型，一般被认为具有致病风险。
& M! I$ S- F8 }6 L7 @这个意外发现立刻引起了科学家们的兴趣。该研究的第一作者 Michelle Percharde 博士当时刚加入实验室不久，并着手研究这个看似不可思议的现象。“当我看到发育中的细胞里，细胞核中竟然有 LINE1 的 RNA，就想到它们一定有着什么作用，” Percharde 博士说道：“不然，为什么你的细胞会产生那么多没有功能，甚至可能带来危险的 RNA 呢？”
$ b% J5 h/ T8 |* f- |. |" E5 j; E* i; f为了了解 LINE1 的作用，研究人员们设计了一个简单的实验——他们在小鼠的胚胎干细胞中清除了 LINE1 的 RNA，想了解这会带来什么样的后果。而实验数据让他们大为惊讶！缺乏 LINE1 的胚胎干细胞，其基因表达模式发生了重大的改变，变回了受精卵刚刚分裂一次后的模样。与这个结果一致，当受精卵中缺乏 LINE1 时，它竟也只能分裂一次，无法突破两个细胞的阶段。
8 D( {" D5 _4 D5 p; x- {“当我们移除 LINE1 的 RNA，并看到这些细胞的改变时，才恍然大悟。这说明我们在正确的道路上。” Percharde 博士评论道。
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" I: i. z* z/ n! j▲LINE1 在胚胎发育中扮演了不可或缺的作用（图片来源：《细胞》）
+ t7 J. F# O- F: V- i% T后续研究发现，LINE1 并不会在基因组里随便跳来跳去。相反，它的 RNA 会被困在细胞核中，与基因调控蛋白形成一个复合体，而这个复合体在胚胎发育中有着关键作用。只有它生效，才能让胚胎发育超越“双细胞”这一阶段，往下发展。
& X7 |/ L% I: M! [这项颠覆性的研究，今日在线发表在了顶尖学术期刊《细胞》上。, U7 \. a! i- O# B
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▲本研究今日在线发表在了《细胞》上（图片来源：《细胞》）
) B+ V( Q" _, U“这些基因有数十亿年的历史，成为基因组中的主流，也是数亿年前的事了。我不禁在想，是不是把 1.5% 编码蛋白质的基因称为‘搭便车的’会更公平一些，” Ramalho-Santos 教授说：“现在我们知道早期胚胎尽管在玩火，但一切均经过了严密的计算。这可能是对发育非常重要的调控。”
3 `6 @$ H& c/ ]5 U  p1 F“科学家们在编码蛋白的基因上做了大量工作，但它们只占了基因组不到 2%，而转座子（即跳跃基因）占了基因组的近 50%！” Percharde 博士补充说道：“能揭示这些元素在发育和疾病中的作用，让我感到很兴奋！”
  w& z' G+ j: }4 b自科学诞生以来，人类一次又一次地推翻自己的结论，对教科书进行了一次又一次的改写。这些颠覆表明了我们对自然的认识又加深了一层。或许这就是科学的魅力所在吧。
% u  A7 C4 v" w# @本文题图来自 Ramalho-Santos Lab; B8 m) N6 y/ P: H
参考资料：& T) r/ l2 ?1 U+ D
[1] A LINE1-Nucleolin Partnership Regulates Early Development and ESC Identity+ }9 ~( N* b9 G; e; v
[2] Not junk: 'Jumping gene' is critical for early embryo
9 Z8 g0 A, Y! K1 z' [* e2 i本文转载自： 学术经纬
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