重塑人类基因组的跳跃基因－－反转座子

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[生物通讯]约翰·霍普金斯大学科学家的一项实验室研究显示，所谓的“跳跃”基因在人类染色体之间跳跃时，引起人类基因组发生大范围基因重排。如果这一发现在有生命生物体中都成立，将有助于解释地球上生物的多样性。有关研究发表在8月9日期的《细胞》（Cell）杂志上。

这些“跳跃”基因是一类反转座子( retrotransposon)，即通过RNA中间产物在天然状态下由基因组中一个位点进行复制，插入到基因组其它位点从而整合到基因组中的DNA序列，反转座子在发育的卵细胞和精细胞中尤为常见。据科学家估计，人类基因组经过几百万年的进化，累积的反转座子有超过 500,000个拷贝。

但与这些反转座子在基因组中自由跳跃所引起的效应相比，这些基因元件数目的完整统计数字还不算令人震撼，研究的领导人、约翰·霍普金斯大学医学院基础生物医学科学院的分子生物学与遗传学教授Jef Boeke说。

“教科书上总是说这些元件是干净利落地插入到DNA链的新位置上。”Boeke说。“但我们看到约有10％的插入过程除了会带来新DNA拷贝外，也会‘卷走’一大段染色体。我们感兴趣的不是这些反转座子是如何进行跳跃的，而是它们跳跃到新位点时会引起什么情况。”

跳跃基因受到严格调控，它们在活生物体中的跳跃可能不会象在实验室培养皿中发生的那样频繁，Boeke指出。然而，在发育成卵子和精子的细胞中－－即使是成年人的，跳跃基因都是非常活跃的。Boeke推测，如果反转座子象在实验室中的表现一样引起精子中出现严重混乱，就会使得下一代开始出现新的遗传组成变化。

”假设我们在实验室观察到的结果同样也会发生在真实生命中，这就意味着超乎我们早先所料，这些基因元件正在以染色体缺失、插入和倒位的方式重新塑造宿主基因组。“他说。”这些变异常常是灾难性的，但偶尔它们也会做些好事：增加遗传多样性或甚至提高宿主的存活力和适应性。这样的基因组重塑可能已经在人类进化的慢慢长河中进行了几千几万次了。”

科学家将共计44个人工DNA插入片段插入倒两种人体癌细胞中，以跟踪跳跃基因跳到了基因组的何处，检查跳跃基因给周围区域带来的“间接破坏”。Boeke说，是人类基因组计划产生的大量DNA序列帮助他们识别出跳跃基因的新“插入点”以及插入引起的基因组重大变化。

令科学家们惊异的是，跳跃基因的插入行为导致基因组中大段现有DNA被切除，而且有一个新插入位点的临近DNA还发生倒位，就好像它被剪切掉后由重新反向插入到原来的位置一样。

“这些现象背后隐藏的机制以前从没有研究描述过。” Boeke说， Boeke10多年前还是一名博士后研究人员的时候就开始研究反转座子。

由于这些人工跳跃基因转座的许多方面都与天然跳跃基因类似，因而科学家相信，这个人工系统是研究和了解反转座子一个极佳的途径， Boeke 补充说。与基因组中的其它部分一眼，反转座子也反映了物种间的进化联系。

“人类基因组中的反转座子有一些独特的特征，但如果你深入研究人类基因组序列，就会发现这些基因元件与我们灵长类祖先中的是一样的。”他说。“如果你继续研究，就会发现更为古老的反转座元件。总之，这些元件可以称得上是人类进化史中的分子化石记录。”

古老反转座元件的一个特点就是它们的重复腺嘌呤（组成DNA的4种碱基之一）“尾巴”比新反转座子要短，甚至由其它类型的碱基插入。其他研究人员已经证明，新插入拷贝的“尾巴”更长，更“纯粹”。事实上，人工反转座子的尾巴相当长，而且其中没有搀杂其它碱基，Boeke描述道。

“我们只是观察这些反转座子插入到什么地方就获得了如此丰富的新信息。”Boeke说。“反转座自的插入位点是人类基因组中的微观世界，真是令人惊叹。”

在本期《细胞》杂志上的另一篇文章中，来自密歇根大学的一个研究小组也发表了他们在40个左右实验室人工插入跳跃基因的类似的发现。

消息来源：约翰·霍普金斯大学医学机构

生物通摘译自BIO.COM