生物通報道  近日來自美國馬薩諸塞大學醫(yī)學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醫(yī)學院細胞及發(fā)育動態(tài)部的William E. Theurkauf教授和生物信息學和整合生物學部的翁志萍（Zhiping Weng）教授。后者早年畢業(yè)于中國科技大學，1997年獲得美國波士頓大學醫(yī)學工程博士學位，2003年獲得波士頓大學生物醫(yī)學工程系終身副教授職務(wù)。2008年起被聘為麻省大學醫(yī)學院生物化學與分子藥物學系正教授。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。
“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。”
（生物通：何嬙）
生物通推薦原文摘要：
Adaptation to P Element Transposon Invasion in Drosophila melanogaster
Transposons evolve rapidly and can mobilize and trigger genetic instability. Piwi-interacting RNAs （piRNAs） silence these genome pathogens, but it is unclear how the piRNA pathway adapts to invasion of new transposons. In Drosophila, piRNAs are encoded by heterochromatic clusters and maternally deposited in the embryo. Paternally inherited P element transposons thus escape silencing and trigger a hybrid sterility syndrome termed P-M hybrid dysgenesis. We show that P-M hybrid dysgenesis activates both P elements and resident transposons and disrupts the piRNA biogenesis machinery. As dysgenic hybrids age, however, fertility is restored, P elements are silenced, and P element piRNAs are produced de novo. In addition, the piRNA biogenesis machinery assembles, and resident elements are silenced. Significantly, resident transposons insert into piRNA clusters, and these new insertions are transmitted to progeny, produce novel piRNAs, and are associated with reduced transposition. P element invasion thus triggers heritable changes in genome structure that appear to enhance transposon silencing.

來源：生物通