艾德思：浙江大学彭金荣课题组Nature破解生命应对基因无义突变之谜

 生命中的遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)时时刻刻都会受到损伤的威胁,每个细胞的基因组DNA每天会遇到约10000次的损伤.这些损伤导致的基因变异会使编码蛋白的基因失去功能,进而影响生命的意义.为了存活,生命便进化出来许多应对基因突变的办法,其中之一就是"遗传补偿效应'.然而,长期以来科学界对遗传补偿效应是怎样起作用的分子机制却知之甚少.

北京时间4月4日,国际顶级学术期刊<自然>(Nature)在线报道了浙江大学陈军教授和彭金荣教授课题组在遗传补偿效应分子机制方面的重要研究进展.课题组首次揭示基因补偿效应是由携带提前终止密码子的信使核糖核酸(mRNA)所激起,由无义突变mRNA降解途径(NMD)中的上游移码蛋白3a(Upf3a)参与.同时,还揭示同源序列核酸是上调补偿效应基因的必要条件,并进一步研究证明补偿效应基因转录水平的增加是由于补偿基因启动子区域组蛋白的表观遗传学修饰所引起的.该研究为疾病的治疗提供了新思路.

无义突变mRNA与Upf3a/COMPASS复合物共同激活遗传补偿效应

这项研究的第一作者为浙江大学生命科学学院博士后马志鹏,通讯作者为浙江大学生命科学学院陈军教授和浙江大学动物科学学院彭金荣教授.

无义突变和同源序列是遗传补偿效应发生的两个必要条件

DNA的损伤如果导致变异的基因功能非常重要,机体又不能采取措施,生命将不能存活导致失去意义.遗传补偿效应就是指在某一基因发生突变彻底失去功能后,机体采用相应机制,提高其他基因的表达来代替这一基因的功能.

这就好像一个工厂的岗位空缺出来,中介需要找到其他人员来完成相关工作.如果这是个关键岗位却招不到合适的人,那么这家工厂可能面临着倒闭的危机.

一般而言,基因因其差异化而存在,人们敲掉其中一个时,功能会出现一定的异样.但是在很多无义突变中,敲掉基因后并没有表型,也就是说没有出现异常,而敲低时却出现了表型.比如一个控制羽毛色泽的基因,敲掉后因依旧能发育出绚丽的羽毛,但是降低它却让羽毛变得暗淡无光.直到遗传补偿效应提出后,科研人员对这一现象进行了概括.因此,人们把敲除基因没有表型,但敲低却出现表型,作为鉴定基因具有遗传补偿效应的标志.

生物学的中心法则是遗传信息从DNA转录到mRNA,最后通过翻译形成蛋白质.无义突变是指从DNA中转录出来的mRNA由于突变形成提前终止密码,进而提前结束了蛋白质合成.

如果继续进行翻译,那么会形成一个比正常有功能蛋白短一些的蛋白,通常这样的蛋白不仅没有功能而且还会有不好的副作用.这时候细胞自身会通过监控途径降解这样的无义突变mRNA.

这种无义突变mRNA介导的降解途径叫"NMD'途径(Nonsense mRNA Mediated Decay pathway),是一种mRNA质量监控机制,就好比工厂在生产产品的过程中的质检,当产品达不到要求时,会自行销毁次品,不然会带来更严重的后果.NMD介导的降解过程中,与无义突变mRNA结合的EJC蛋白复合体招募上游移码蛋白3b(Upf3b)是降解次品的关键步骤.而Upf3b的双胞胎"兄弟'Upf3a同样可以与EJC蛋白复合体结合却不参与降解反应,但科研人员对于Upf3a存在的生理意义不得而知.

2015年,彭金荣实验室发现,一个影响斑马鱼肝脏发育的钙调蛋白酶(Capn3a),用不同方式敲低这一基因时会出现小肝脏表型,而敲除遗传突变体肝脏发育正常."敲除突变体长出正常的肝脏,说明可能是遗传补偿效应在起作用.'马志鹏推测说.

Capn3a突变体具有基因补偿效应

那么怎样的突变,才能引起遗传补偿效应呢?又是通过哪些基因的表达来弥补突变基因的功能呢?

为了回答这两个问题,陈军课题组科研人员继续在斑马鱼开展大量的对比实验,通过构建钙调蛋白酶基因的不同突变体,发现只有无义突变才能激活遗传补偿效应,并且是通过提高与变异基因序列同源的家族基因表达来进行的.非常有意思的是,他们通过向斑马鱼体内导入外源DNA构建转基因,同样也能激活体内遗传补偿效应,即外源导入的转基因只要带有无义突变和同源序列,就可以提高体内具有同源序列的基因表达.这些实验证明无义突变和同源序列是遗传补偿效应的两个先决条件.

无义突变和同源序列是激活遗传补偿效应的两个必要条件

Upf3a分子是遗传补偿效应发生的"中介'

那么下一个问题是无义突变mRNA通过怎样的"中介'来提高它的同源基因表达呢?基于已有的NMD途径,陈军课题组另辟蹊径,把Upf3a敲除,Capn3a突变体肝脏就变小了,补偿的同源基因表达也下降,遗传补偿效应消失.

这个实验证明了无义突变产生的终止密码子,并对整个机体表现出像远古时期天地崩塌一样的灾难.与神话女娲补天如出一辙的是,这时候Upf3a这个"中介'分子,通过找到与信使mRNA序列同源的基因,改变他们的表达来弥补突变基因的功能.这个过程就好像冶炼五色石达到与天空相似的功能,最后达到洪水退去/苍天平复的效果.

因此,陈军课题组得出结论,机体应对无义突变,其中Upf3a是诱导遗传补偿效应的重要"中介'.

"中介'怎样具有"女娲补天'的能力?

随后,课题组进一步揭示"中介'Upf3a通过招募复合体(COMPASS)将核小体中组蛋白H3第4位赖氨酸进行甲基化,从而打开染色体的结构促进基因表达,不断扩充具有相似功能的数量.

陈军课题组根据研究结果,提出遗传补偿效应的分子机制模型:转录后被识别的无义突变mRNA可以与Upf3b结合,也可以与Upf3a结合.如果与Upf3b结合,它将被NMD途径降解;如果它与Upf3a结合,Upf3a将招募COMPASS复合体,无义突变mRNA利用核酸序列同源性,将Upf3a/COMPASS带到其家族同源基因的基因组DNA处,改变其组蛋白修饰,促进同源基因表达,弥补本身的功能损失.

遗传补偿效应分子机制的发现具有重要实践意义

遗传补偿效应并不是斑马鱼独有的现象,在小鼠/拟南芥等模式生物钟也存在."我们所发现的分子机制不仅具有重要的理论意义,而且对于揭示基因功能研究以及疾病治疗具有重要的价值.'陈军介绍,"遗传补偿效应'对机体存活具有重要意义,但对于基因功能研究是一个巨大的障碍,比如斑马鱼超过80%的基因被敲除后没有表型,所以很难研究这些基因的功能,这其中大部分是由于"遗传补偿效应'导致.未来想要研究这些基因,就可以利用陈军课题组揭示的分子机制,敲低"中介'蛋白Upf3a,阻断遗传补偿效应开展基因研究.

基因组测序结果显示,在正常人群的基因组中存在着大量携带有纯合无义突变的基因,其中有些基因的错义突变会引起严重的人类遗传疾病,例如帕金森/白血病/脊柱侧弯等.陈军课题组推测这可能是遗传补偿效应导致了这些疾病,他表示,针对错义突变引起的人类遗传疾病,可以通过敲除此基因,或转入带有无义突变的同源DNA,激活人体内"遗传补偿效应'治疗疾病.

<自然>杂志匿名评审专家在评审时表示,这是一个具有潜在广泛意义的非凡故事.例如,它澄清了许多敲除研究的解释.它为一个有趣的现象提供了一个机制基础,该机制赋予了细胞健壮性.正如作者指出的,引入无义突变可能是治疗存在补偿基因的遗传病的一种临床途径.

参与这项研究的还有朱佩佩/施回/郭李伟/张庆河/陈亚男/陈书铭/张哲.研究成果受到科技部重大基础研发项目/国家自然科学基金资助.

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