新研究挑战了基因开关的传统观点

　　

基因组中的一些序列会导致基因的开启或关闭。到目前为止，这些基因开关，或所谓的增强子，都被认为在DNA上有自己的位置。因此，不同的增强子相互分离，即使它们控制着相同的基因，并在身体的不同部位开启它。波恩大学和慕尼黑大学最近的一项研究挑战了这一观点。这一发现也很重要，因为基因开关被认为在进化中起着核心作用。这项研究发表在《Science Advances》杂志上。

植物和动物形态的蓝图被编码在它们的DNA中。但是只有一小部分基因组——哺乳动物中大约2%——包含基因，即制造蛋白质的指令。其余部分主要控制着这些基因在何时何地活跃：它们的转录本产生了多少，以及这些转录本产生了多少蛋白质。

其中一些调控序列被称为“增强子”，其工作原理就像我们客厅里用来调节光线的调光开关。事实上，它们会在需要这种基因的地方和时间特异性地增加特定基因的表达。控制形态的基因通常对几个独立的增强子作出反应，每个增强子决定基因在不同身体部位的表达。

增强剂控制果蝇颜色

到目前为止，增强子被认为是模块化的。这个术语意味着每个增强子占据DNA的一段独立的片段。“然而，我们已经证明，这不是绝对正确的，”波恩生物研究所Nicolas Gompel教授小组的博士生，也是该研究的第一作者Mariam Museridze解释说。

研究人员研究了果蝇中一种叫做黄色的基因是如何被调节的。这种基因使昆虫产生褐色色素黑色素。有许多增强剂可以控制黄色的活性。例如，其中一种负责蛆虫牙齿的色素沉着，而另一种负责果蝇腹部条纹图案的形成。

Museridze说：“我们已经仔细研究了其中两种增强剂。”前者控制翅膀上颜色图案的形成，而后者控制头部、胸部和腹部的颜色。在果蝇的蜕变过程中，两者同时活跃。研究小组发现，身体增强子并不像预期的那样位于与翅膀增强子不同的DNA区域。相反，有大量的DNA区域属于这两个基因开关，即它们影响翅膀和身体的色素沉着。

结果表明，基因组中调控序列的结构比以前认为的要复杂得多。这对性状在进化过程中如何变化有着深远的影响。根据目前的知识，增强剂在这一过程中起着关键作用。

作为进化游乐场的增强剂

这是因为许多蛋白质对生物体非常重要，以至于它们的基因（即包含构建蛋白质指令的DNA序列）发生突变会导致严重的问题，甚至必然死亡。因此，控制体型的基因，如翅膀或腿的数量，在进化过程中很少改变。增强子提供了一种摆脱这种困境的方法：当它们发生突变时，相应基因的活性会发生变化，但只在特定的组织和特定的时间发生。

“因此，突变增强子的成本通常低于直接突变基因的成本，”Mariam Museridze说。这使得在进化过程中更容易出现新的特征。这就像烤蛋糕一样：如果你把鸡蛋、面粉、牛奶和糖混合在一起，根据混合比例的不同，你可以得到完全不同类型的面团。在这个比喻中，增强者将负责成分的数量，而不是成分的类型。

基因突变就像意外地用完全不同的东西取代了一种成分——例如，用锯末代替面粉。结果肯定不会很好吃。另一方面，增强子的突变会改变面粉的数量。

Museridze说：“如果增强子不像我们想象的那样模块化，这意味着它们中的突变可以产生更广泛的影响。”这意味着这样的突变可以同时影响几种成分的含量。然而，也有可能增强子保持其独立性，并继续控制单一成分的数量，即使它们的序列相互交织和共享。

“我们现在想更详细地研究这些可能性，”Gompel教授解释说。“我们还想弄清楚我们的发现有多普遍，以及这如何影响我们对进化机制的理解。”