Cell：颠覆认知！胚胎发育竟缺不了“垃圾DNA”

在人体的基因组内，仅有大约1%的DNA编码了蛋白质，而剩下99%的DNA究竟有啥用，也引起了长期以来的争论。经过过去十多年的研究，人们已经达成了一定的共识：许多非编码DNA有重要的调控作用，另一些DNA则像是演化过程中留下来的“垃圾”，只是细胞懒得把它们清除掉而已。

为什么这么说呢？原来我们的DNA里有不少“跳跃基因”，它们看上去是病毒遗留下的产物，能从基因组的一个地方“跳”到另一个地方。有些“跳跃基因”甚至可以在基因组里“跳”上成百上千次，要把它们剔除出基因组可不是一件容易的事儿。幸好，其中的大部分基因序列都会保持“沉默”，不会在细胞里产生混乱。但仍然有一些不安分的“跳跃基因”会在细胞里搞事，干扰正常的生理活动，甚至引发癌症！

可以想象，当加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员们发现胚胎干细胞和早期胚胎中有大量“跳跃基因”表达时，他们的内心一定充满了不解。

LINE1在胚胎干细胞的细胞核中大量表达（图片来源：《细胞》）

“用常规的眼光看，这些早期胚胎简直是在玩火！”该研究的负责人Miguel Ramalho-Santos教授说道：“这一点都不合理。”

Ramalho-Santos教授团队发现的是一种叫做LINE1的“跳跃基因”。它在基因组里是最普遍的“垃圾DNA”类型，一般被认为具有致病风险。

这个意外发现立刻引起了科学家们的兴趣。该研究的第一作者Michelle Percharde博士当时刚加入实验室不久，并着手研究这个看似不可思议的现象。“当我看到发育中的细胞里，细胞核中竟然有LINE1的RNA，就想到它们一定有着什么作用，” Percharde博士说道：“不然，为什么你的细胞会产生那么多没有功能，甚至可能带来危险的RNA呢？”

为了了解LINE1的作用，研究人员们设计了一个简单的实验——他们在小鼠的胚胎干细胞中清除了LINE1的RNA，想了解这会带来什么样的后果。而实验数据让他们大为惊讶！缺乏LINE1的胚胎干细胞，其基因表达模式发生了重大的改变，变回了受精卵刚刚分裂一次后的模样。与这个结果一致，当受精卵中缺乏LINE1时，它竟也只能分裂一次，无法突破两个细胞的阶段。

“当我们移除LINE1的RNA，并看到这些细胞的改变时，才恍然大悟。这说明我们在正确的道路上。” Percharde博士评论道。

LINE1在胚胎发育中扮演了不可或缺的作用（图片来源：《细胞》）

后续研究发现，LINE1并不会在基因组里随便跳来跳去。相反，它的RNA会被困在细胞核中，与基因调控蛋白形成一个复合体，而这个复合体在胚胎发育中有着关键作用。只有它生效，才能让胚胎发育超越“双细胞”这一阶段，往下发展。

这项颠覆性的研究，今日在线发表在了顶尖学术期刊《细胞》上。

“这些基因有数十亿年的历史，成为基因组中的主流，也是数亿年前的事了。我不禁在想，是不是把1.5%编码蛋白质的基因称为‘搭便车的’会更公平一些，” Ramalho-Santos教授说：“现在我们知道早期胚胎尽管在玩火，但一切均经过了严密的计算。这可能是对发育非常重要的调控。”

“科学家们在编码蛋白的基因上做了大量工作，但它们只占了基因组不到2%，而转座子（即跳跃基因）占了基因组的近50%！” Percharde博士补充说道：“能揭示这些元素在发育和疾病中的作用，让我感到很兴奋！”

自科学诞生以来，人类一次又一次地推翻自己的结论，对教科书进行了一次又一次的改写。这些颠覆表明了我们对自然的认识又加深了一层。或许这就是科学的魅力所在吧。

参考资料：

[1] A LINE1-Nucleolin Partnership Regulates Early Development and ESC Identity

[2] Not junk: 'Jumping gene' is critical for early embryo

来源：学术经纬

来源： 学术经纬