Cell论文解决重要生物学悖论

沿动物体轴的解剖特点有着显著的差异——例如头部、胸部和腹部的差异，这些差异是由Hox蛋白家族成员决定的。但是，不同的Hox蛋白如何能够激活特定的基因？因为所有这些蛋白能够结合相同的DNA序列。最近，美国霍华德休斯医学研究所的科学家们已经解决了这个悖论。该研究成果发表在2015年1月15日的《Cell》杂志。

　　

生物通报道：沿动物体轴的解剖特点有着显著的差异——例如头部、胸部和腹部的差异，这些差异是由Hox蛋白家族成员决定的。但是，几乎就在Hox基因刚被发现时，科学家们就开始思索，不同的Hox蛋白如何能够激活特定的基因？因为所有这些蛋白能够结合相同的DNA序列。最近，美国霍华德休斯医学研究所的科学家David Stern称，他和他的同事们已经解决了这个悖论。

Stern——霍华德休斯医学研究所Janelia Research Campus的研究组长，及其博士后研究人员Justin Crocker，与哥伦比亚大学的Richard Mann合作，调查了“Hox特异性悖论”。他们的研究表明，Hox蛋白通过与基因组中先前未知的DNA结合位点之间的弱相互作用，触发基因的活性，而不是研究更深入的和更容易识别的高亲和力结合位点。

Stern说：“这些位点——我们一直认为是很好的Hox位点，并没有提供决定动物身体前后轴差异的特异性。高亲和力位点并不是造就动物的位点。”Stern、Mann及其同事将其研究成果发表在2015年1月15日的《Cell》杂志。

Hox基因可产生称为转录因子的蛋白质，转录因子通过结合DNA并打开相应的基因，可帮助塑造动物身体不同部分的身份。果蝇有8个不同的Hox基因；人类有40个以上。但是Stern说，几十年来，Hox蛋白之间很强的相似性一直都困惑着科学家们。

他说：“所有的Hox基因，实际结合DNA的结构域有着非常相似的蛋白质序列。然而，它们必须要调节不同的基因亚群，以使头部不同于胸部和腹部。它们是如何做到这一点的，并不是完全清楚。”

各种实验方法都不能解释不同Hox蛋白如何靶定独特的基因。不同Hox基因的结构表明，它们都以极高的亲和力与相同的DNA序列结合。当Hox蛋白与DNA在试管中混合时，它们都倾向于结合相同的序列。Mann在2009年发现，蛋白质辅助因子通常结合与Hox蛋白在一起的DNA，从而使得Hox结合的细节更加复杂：当一个Hox蛋白及其辅助因子结合邻近的DNA片段时，它们会产生稳定的结构，可识别DNA中的特定形状，这些新结构根据Hox蛋白质而有所不同。但是Stern说，在试管实验中，Hox蛋白加上它们的辅助因子，仍然结合相同的序列。他解释说：“你得到了一些特异性，但不是很多。”所以悖论继续存在。

在对物种多样性的遗传原因的研究中，Stern详细地检测了shavenbaby基因的调控，该基因可驱动一种特定模式的短、粗壮毛发（称为毛状体）的产生，其存在于果蝇幼虫中。Shavenbaby在穿过果蝇幼虫某些体段的条纹中是打开的，表明它可能处于Hox的控制之下。所以当Stern和Mann决定共同努力弄清Hox蛋白如何获得其特异性时，shavenbaby似乎是一个很好的开始。

Stern实验室博士后Crocker表明，该基因实际上处于一个Hox蛋白（称为Ubx）的控制之下，他发现当Ubx缺失时，Ubx结构域中没有产生毛状体。相反，通过将Ubx引入其他体段，他能够制备一种果蝇，具有不属于它们的毛状体。然后，他发现，Ubx控制两个影响shavenbaby表达的特异性增强子区域。

Ubx对shavenbaby增强子的影响似乎很明确，然而，当科学家们检测增强子的DNA序列时，他们找不到任何与经典Hox结合位点相似的区域。所以，Mann实验室利用生化实验来寻找Ubx结合的物理证据。通过在同一时间扫描增强子片段，他们存在Hox辅助因子的情况下，发现了Ubx微弱结合的位点。每个增强子包含一组这些低亲和力的结合位点。Stern说：“这些序列看起来根本不像以前已知的Hox结合位点——一个都不像。”

当Crocker制备具有这些序列突变的果蝇时，shavenbaby表达和毛状体生产都受到影响。一个Ubx结合位点不足以激活这个基因，但是当结合位点集群是完整的时候，足够的Ubx可结合增强子，激活shavenbaby，并开启毛状体的生产。该研究小组利用来自不同种果蝇shavenbaby增强子，也获得了相似的结果。科学家们认为，Hox蛋白通过结合基因组中低亲和力的位点集群，而获得特异性。实际上，他们指出，许多转录因子可能与低亲和力位点集群结合，他们的发现可能广泛应用于Hox家族基因调控之外。

这些结果解释了为什么科学家们很难根据序列数据预测Hox蛋白与DNA的结合部位，Stern说：“对于Hox基因来说，生物信息学分析大致上已经无用了。现在我们知道了其中的原因。它们没有结合每个人都认为它们会结合的部位——它们结合这些看起来甚至不像Hox结合位点的部位。”

Mann补充说：“很多领域一直专注于高亲和力位点这些容易实现的目标，它们更容易通过计算方法识别。但是我们需要探讨这些低亲和力结合位点，以真正理解特异性问题。”

Stern说，该研究还强调了量化增强子功能影响的重要性。当研究小组逐个淘汰shavenbaby增强子中的Hox结合位点时，所导致的基因表达变化是很细微的。Crocker说：“每一次我们做实验和分析数据，它看起来都同样有效。”但是通过计算单个毛状体和开发基因表达的其他量化措施，Crocker能够提供每个位点重要性的有力证据。

该研究小组继续检测当他们将果蝇暴露于不太理想的条件（较高或较低温度，以及Ubx降低的基因水平）时，对增强子功能有何影响？在这种情况下，所有Ubx结合位点是保持正常shavenbaby活性所必需的。Stern称：“这证明，这些位点集群是提供增强子稳健性的部位。”

（生物通：王英）

延伸阅读：两篇论文颠覆胚胎发育的科学共识

生物通推荐原文摘要：
Low Affinity Binding Site Clusters Confer Hox Specificity and Regulatory Robustness
Summary: In animals, Hox transcription factors define regional identity in distinct anatomical domains. How Hox genes encode this specificity is a paradox, because different Hox proteins bind with high affinity in vitro to similar DNA sequences. Here, we demonstrate that the Hox protein Ultrabithorax (Ubx) in complex with its cofactor Extradenticle (Exd) bound specifically to clusters of very low affinity sites in enhancers of the shavenbaby gene of Drosophila. These low affinity sites conferred specificity for Ubx binding in vivo, but multiple clustered sites were required for robust expression when embryos developed in variable environments. Although most individual Ubx binding sites are not evolutionarily conserved, the overall enhancer architecture—clusters of low affinity binding sites—is maintained and required for enhancer function. Natural selection therefore works at the level of the enhancer, requiring a particular density of low affinity Ubx sites to confer both specific and robust expression.