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PNAS : 遗传之谜告破,生物万象皆将有据可循

2018/05/14 来源:生物探索
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导读
每一种生物都含有DNA,这种分子序列编码了生物有机体的遗传蓝图。基因组测序既可以揭示你患某些疾病的可能性,也可以指示你是直发还是卷发。但这些都仅仅是科学家们对基因组功能了解的冰山一角。哪怕是大肠杆菌这种已被研究最深入的生物,科学家们仍不知道一半以上的它们基因是如何被调节的。

The circular E. coli genome. Sets of genes, or operons, which lack regulatory understanding are shown in red. Though E. coli is the most well-studied organism on the planet, scientists do not understand the regulatory mechanisms of 67 percent of E. coli's genes. Credit: Courtesy of the Phillips laboratory

近日,来自加州理工学院的一项最新研究发现了一种新的技术可帮助破解DNA中被称为“非编码DNA序列”的某些神秘区域的编码。这些不为人所知的区域中的许多突变与人类等生物体的疾病有关,因此了解非编码DNA的功能至关重要。

相关研究于5月4日由Rob Phillips教授为主要作者以“Systematic approach for dissecting the molecular mechanisms of transcriptional regulation in bacteria”为题发表在《PNAS》杂志上。

https://doi.org/10.1073/pnas.1722055115

人类的细胞丰富多样——包括肌肉细胞、神经元、光感受器、血细胞等等。它们都有着相同的DNA,那么它们各自的功能为何如此不同呢?答案在于基因可以在不同的组织中以不同的方式进行调节(开启或关闭、向上拨动和向下拨动)。而迄今为止,还没有一个通用的原则来帮助我们理解这个规则是如何被编码的。

在基因组中,被研究最充分的部分是编码区(即编码蛋白质的基因,这些基因使细胞能够发挥作用),然而,大肠杆菌( Escherichia coli ,E. coli )中超过50 %的基因具有非编码区,其功能仍然是完全神秘的。

在这项新工作中,第一作者 Nathan Belliveau应用了一种被称为Sort-Seq的方法来突变大肠杆菌中的小块非编码区,并确定哪些区域含有结合位点(结合位点是参与转录(基因表达过程的第一步)的特殊蛋白亦即附着于DNA的位置)

首先,研究人员将他们想了解的非编码DNA的潜在有趣部分剔除。为此,他们将编码绿色荧光蛋白( GFP )的DNA连接到这些基因上。然后,将每个小的工程DNA片段放入单独的大肠杆菌中,使其产生这些绿色蛋白质。

当Belliveau随机突变部分未知区域时,他注意到在一些细菌中产生的GFP的量发生了可观察到的变化,这表明突变的DNA正在改变基因表达水平。通过DNA测序,研究人员能够精确定位这些重要突变的确切位置,并利用这些信息识别新的结合位点

Phillips给出了一个文学类比:“这就好像我翻阅了一本书,然后从单词中随机抽取10%的字母并对其进行修改。如果‘walk’的第一个字母变成T,该词就变为 ‘talk’,单词意思就完全改变——你的理解也会相应发生变化。同样,我们想知道的是,基因组的哪些部分对细胞理解的影响最大”。

在检查了许多非编码区域以确定结合位点后,团队的目标是匹配与该区域对应的蛋白质的区域。

“这简直如同大海捞针。大肠杆菌中大约有300万个蛋白质,可能有10个拷贝的特定蛋白质对应于给定的结合位点,即要在30万个蛋白质中找出一个蛋白质。”Phillips说。

Belliveau发明了一种找到这种“针”的方法:他取出一段含有一个结合位点的非编码DNA,将大肠杆菌细胞的内容物倒在该DNA上,然后鉴定出粘在该位点上的蛋白质

“这项工作表明,我们可以用我们的方法对非编码DNA从一无所知到知之甚少直至走向真正理解,下一步是尝试扩大规模,使我们能够追踪整个基因组。”Belliveau总结道。

责编:艾曼

参考资料:

Solving pieces of the genetic puzzle

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