Nature绘制大型基因表达图谱

　　

生物通报道  由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们领导的一个科学团体，对编码于动物基因组中的信息在不同的器官、发育阶段和环境条件下的处理机制展开了迄今为止最大型的调查研究。他们的研究结果绘制出了基因如何在神经细胞中发挥功能以及响应环境压力的新图像。这项研究发表在本周的《自然》（Nature）杂志上。

科学家们对遗传学研究的重要模式生物——果蝇展开了研究。70%的已知人类疾病基因在果蝇中都有密切相关的基因，而果蝇的基因组只有人类基因组1/30大小。以往的果蝇研究提供了一些有关癌症、出生缺陷、成瘾行为和神经系统疾病的见解。也增进了我们对于所有动物共有的一些过程，如躯体发育模式和突触传递的了解。

在最新的这项科学研究中，伯克利实验室生命科学部的Susan Celniker领导这一科学团体，构建出了迄今为止最全面的动物基因表达图谱。

在所有生物体中，编码于基因组中的信息被转录为RNA分子，随后这些RNA分子或是被翻译为蛋白质，或是被利用在细胞中执行某些功能。一个细胞中表达的RNA分子的总和就称作为它的转录组，可以将其视作为是对基因组的“读取”结果（延伸阅读：复旦大学Nature子刊绘制大鼠转录组图谱）。

尽管我们身体每个细胞中的基因组都基本相同，每种细胞类型的转录组却并不一样，且不断地在发生变化。例如，心脏组织中的细胞与肠道或大脑中的细胞就完全不同。

转录组也可响应环境挑战迅速发生改变。这些基因表达动态变化使得我们的身体能够适应如温度或化学物质接触等改变。

为了绘制出转录组图谱，科学家们利用了深度测序技术生成了1.2万亿个碱基的RNA序列数据。他们在29种果蝇组织类型、25个细胞系、以及包括热、冷、重金属中毒和急性农药暴露在内的“环境挑战”情境中对RNA进行了分析。

结合极深度测序和多种组织及情况生成了完整的RNA活性图谱，揭示出了只在一种组织类型中表达的一些新基因和罕见RNAs。发现了一些神经系统组织中RNAs出人意料的复杂性和多样性，以及从前未知的与应激反应相关的一些基因。

在果蝇神经系统样本中，科学家们发现大约100种基因可以编码数百种或甚至数千种不同的蛋白质类型。其中许多的蛋白是在神经系统早期形成过程中于发育胚胎中生成。鉴于大多数的基因表达5种或更少的转录物类型，一半的基因只编码一种基因，这提示了从前未知的大脑复杂性的根源。

伯克利实验室生命科学部研究员Ben Brown说：“我们的研究表明，出于神经系统发育需要动物转录组总体信息输出大大增加。”

科学家们还发现了比以往认识的更为广泛的一种应激反应。暴露于镉一类的重金属中会导致一些已知的压力反应信号通路激活，阻止对DNA和蛋白质的损害。它还揭示了一些完全未知功能的新基因。

“为了更好地了解细胞对抗压力的机制，我们必须弄清楚这些神秘基因的功能，”Celniker说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Diversity and dynamics of the Drosophila transcriptome

Animal transcriptomes are dynamic, with each cell type, tissue and organ system expressing an ensemble of transcript isoforms that give rise to substantial diversity. Here we have identified new genes, transcripts and proteins using poly(A)+ RNA sequencing from Drosophila melanogaster in cultured cell lines, dissected organ systems and under environmental perturbations. We found that a small set of mostly neural-specific genes has the potential to encode thousands of transcripts each through extensive alternative promoter usage and RNA splicing. The magnitudes of splicing changes are larger between tissues than between developmental stages, and most sex-specific splicing is gonad-specific. Gonads express hundreds of previously unknown coding and long non-coding RNAs (lncRNAs), some of which are antisense to protein-coding genes and produce short regulatory RNAs. Furthermore, previously identified pervasive intergenic transcription occurs primarily within newly identified introns. The fly transcriptome is substantially more complex than previously recognized, with this complexity arising from combinatorial usage of promoters, splice sites and polyadenylation sites.