Cell:永不停息的基因战争

2013-2-18 15:31 来源: 生物通
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  我们的细胞中进行着激烈的基因战争,入侵的外源DNA频频试图破坏人类的基因蓝图。现在,加州大学旧金山分校UCSF的研究人员发现了,细胞保护自身基因抵抗入侵者的新分子机制。

  这一机制负责识别和靶标外源DNA,被研究人员称为SCANR。UCSF的研究人员是在酵母中发现SCANR机制的,由于酵母与人类细胞很相似,他们认为人体中也可能存在类似机制。这样的机制有助于减少人类遗传性疾病和与之相关的死亡。

  SCANR的目标是被称为转座子的小片段DNA,对于一些新生儿来说,转座子是有致命威胁的。在从简单的细菌到复杂的人类,转座子都广泛存在,这些进入宿主基因组的转座子来源于其他物种。

  生物本身的基因在细胞分裂中只复制一次,但转座子(也称为跳跃基因)不同,它们会多次复制,并随机插入到宿主细胞的DNA中。如果转座子插入到重要基因中,就会使基因功能发生故障,引发疾病或出生缺陷。正如免疫系统能够识别外源入侵者一样,UCSF Hiten Madhani博士领导的研究人员发现,细胞核中的遗传学机制通过SCANR来识别和靶标转座子。这项研究发表在二月十三日的Cell杂志上。

  “我们知道,有一部分人类遗传病是由可移动的遗传元件引起的,” Madhani说。“现在我们发现,细胞是在基因表达的一个步骤中区分“我”与“非我”,从而阻止转座子扩散。”永远的基因战争在进化过程中,转座子频繁跨越物种界限,闯入宿主基因组。快速演化的细菌往往利用它们来传递抗生素抗性。

  人类基因组近一半的DNA都含有转座子,在一代又一代的传承中,这样的百分比还会增加。这是因为,约20%的转座子复制不受到细胞分裂时DNA复制规则的约束。尽管如此,随着时间推移,在世代交替中大多数转座子失去活性而不再成为威胁。

  据UCSF的生化和生物物理学教授Madhani介绍,人类基因组中存在大量的转座子,荷花基因组有99%源自于转座子。低等生物蝾螈(salamander)的基因数与人类相同,但由于转座子复制,其基因组可以比人类大约四十倍。为此,蝾螈的细胞也比人类细胞大。

  Barbara McClintock在玉米中发现了跳跃基因,Richard Roberts和Phillip Sharp发现染色体上的基因会被内含子分隔,而Andrew Fire和Craig Mello则发现了RNA干涉现象。这些都是曾经获得诺贝尔奖的重要发现,以此为基础,UCSF的研究人员在酵母Cryptococcus neoformans中揭示了SCANR及其靶标转座子的机制。研究显示,当细胞剪切装置遇到转座子这样的内含子时,就会停滞。而SCANR识别这一故障,启动合成相应的“小干涉RNA”分子,用来中和转座子的RNA。

  “科学家们可能会发现,高等生物基因差异性表达的许多途径,与SCANR机制中的内含子剪切类似。这样的机制有助于识别外源基因并加以抵御,” Madhani说。

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