身體中的每個(gè)細(xì)胞都具有相同的DNA和基因，因此細(xì)胞的特性和功能取決于哪些基因被打開(kāi)。這就是為什么理解增強(qiáng)子，調(diào)節(jié)特定基因表達(dá)的非編碼DNA的短片段至關(guān)重要的原因。

增強(qiáng)子與其控制的基因沒(méi)有一對(duì)一的關(guān)系。相反，有許多增強(qiáng)劑而不是基因，它們的關(guān)系尚不清楚。許多增強(qiáng)子是否會(huì)調(diào)節(jié)給定基因在給定組織中的表達(dá)，從而提供冗余?能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的研究人員在最近的兩項(xiàng)研究中調(diào)查了這個(gè)問(wèn)題，以及增強(qiáng)劑對(duì)發(fā)展的總體重要性。

研究人員回答了一個(gè)關(guān)于增強(qiáng)劑作用的長(zhǎng)期問(wèn)題。通過(guò)更好地將生物體的基因組補(bǔ)體與其表達(dá)的特征聯(lián)系起來(lái)，它們的工作提供了新的見(jiàn)解，進(jìn)一步推動(dòng)了系統(tǒng)生物學(xué)不斷發(fā)展的領(lǐng)域，旨在獲得對(duì)生命系統(tǒng)的預(yù)測(cè)性理解。

完美保護(hù)

在他們發(fā)表在Cell上的新研究中，研究小組研究了含有“超保守元素”的增強(qiáng)子，其長(zhǎng)度至少為200個(gè)堿基對(duì)，在人類(lèi)，小鼠和大鼠的基因組中100%相同。自從這些哺乳動(dòng)物共同擁有共同的祖先以來(lái)，超保守的元素已經(jīng)完全保存了8000多萬(wàn)年。

此前，該小組個(gè)別刪除了小鼠基因組中的四個(gè)超保守腦增強(qiáng)子。所有四種小鼠都是活的和可育的，這使基因組學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)研究團(tuán)體感到震驚，他們認(rèn)為這些增強(qiáng)子對(duì)生命至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)完全保存。

“在我們的后續(xù)研究中，我們想深入挖掘測(cè)試兩種可能的解釋?zhuān)?rdquo;伯克利實(shí)驗(yàn)室環(huán)境基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)部的研究科學(xué)家Diane Dickel說(shuō)。“首先，也許這些增強(qiáng)子序列之間存在一些冗余，失去其中兩個(gè)將導(dǎo)致小鼠無(wú)法生存或不育。其次，也許老鼠確實(shí)有些問(wèn)題，但它更微妙。”

在這項(xiàng)新研究中，研究小組利用基因編輯工具CRISPR-CAS9進(jìn)一步研究了Arx基因附近的增強(qiáng)子，這些增強(qiáng)子在缺陷時(shí)會(huì)導(dǎo)致小鼠和人類(lèi)的神經(jīng)和性發(fā)育障礙。“我們專(zhuān)注于Arx，因?yàn)樗浇蟹浅６嗟姆浅ｉL(zhǎng)的超保守站點(diǎn)，”Dickel說(shuō)，他與同一部門(mén)的高級(jí)科學(xué)家Len Pennacchio和Axel Visel共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

具體而言，他們淘汰了Arx的四個(gè)腦增強(qiáng)劑，它們?cè)谇澳X的頂部或底部成對(duì)活躍。當(dāng)這些增強(qiáng)子被單獨(dú)刪除時(shí)，所有小鼠都是活的并且是可育的 - 證實(shí)超保守的增強(qiáng)子對(duì)于給定一代中的生命不是必需的。當(dāng)它們成對(duì)地被刪除并具有相似的活性時(shí)，小鼠仍然存活且可育 - 排除冗余作為敲除個(gè)體超保守增強(qiáng)子時(shí)沒(méi)有主要缺陷的主要解釋。

但是有更微妙的腦缺陷嗎?為了回答這個(gè)問(wèn)題，研究人員與加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)生物學(xué)家John Rubenstein合作，他提供了深入的神經(jīng)學(xué)表型分析。

在僅有一個(gè)增強(qiáng)子缺失的四個(gè)病例中的三個(gè)中，他們發(fā)現(xiàn)異常 - 無(wú)論是整體生長(zhǎng)還是大腦發(fā)育。在一種情況下，小鼠在海馬中具有嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)缺陷。在另一種情況下，小鼠具有較少的膽堿能神經(jīng)元。

“這些小鼠腦部的變化讓人聯(lián)想起癲癇癥或癡呆癥患者的腦部變化，”Dickel說(shuō)。“雖然我們還不知道這些老鼠是否會(huì)受到這些問(wèn)題的影響，但我們發(fā)現(xiàn)的生理變化很可能是在野外進(jìn)行選擇，這就是為什么你在這些地方保持高水平的保護(hù)。”

保護(hù)冗余

雖然人類(lèi)和小鼠基因組中只有幾百個(gè)超保守位點(diǎn)，但也有大約100,000個(gè)其他保守性較低的增強(qiáng)子。在缺失單個(gè)超保守增強(qiáng)子時(shí)觀察到的缺陷提出了一個(gè)問(wèn)題，即缺失較少保守的增強(qiáng)子通常會(huì)導(dǎo)致類(lèi)似的問(wèn)題。缺陷是例外還是規(guī)則?這個(gè)問(wèn)題在博士后研究員Marco Osterwalder領(lǐng)導(dǎo)的第二項(xiàng)研究中進(jìn)行了調(diào)查，研究重點(diǎn)是四肢增強(qiáng)劑。肢體增強(qiáng)劑是目標(biāo)，因?yàn)橹w易于評(píng)估，不像神經(jīng)學(xué)表型。

正如今天在“自然”雜志報(bào)道的那樣，研究小組刪除了靠近肢體發(fā)育基因的十個(gè)肢體增強(qiáng)劑。他們預(yù)計(jì)會(huì)看到一些異?，F(xiàn)象，但是所有10只小鼠都有完全正常的四肢。

然而，該團(tuán)隊(duì)還觀察到一些具有兩種增強(qiáng)子的基因，這些增強(qiáng)子在肢體發(fā)育過(guò)程中似乎同時(shí)具有活性。當(dāng)團(tuán)隊(duì)淘汰具有類(lèi)似活動(dòng)的這類(lèi)肢體增強(qiáng)劑時(shí)，他們看到了諸如額外數(shù)字或骨長(zhǎng)度差異的特征 - 表明這些增強(qiáng)子有冗余的功能。“這就像飛行員和副駕駛員在駕駛艙內(nèi)有多余的控制桿一樣，”Visel解釋道。“任何人都可以控制飛機(jī)，但如果你擺脫兩個(gè)控制桿，你就會(huì)遇到麻煩。”

為了確定是否有這樣的監(jiān)管備份系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算分析了來(lái)自許多不同組織的基因組數(shù)據(jù)集。他們確定控制胚胎發(fā)育中心過(guò)程的基因通常配備了一組可能多余的增強(qiáng)子。在超過(guò)1000個(gè)極端情況下，他們發(fā)現(xiàn)了五個(gè)或更多具有相似活動(dòng)模式的增強(qiáng)子組來(lái)控制同一基因。

盡管存在冗余，但這些增強(qiáng)子在進(jìn)化上是保守的，這使得科學(xué)家們猜測(cè)，破壞這些增強(qiáng)子可能仍會(huì)導(dǎo)致野外適應(yīng)性的某種程度的降低，即使它很小，也不能在實(shí)驗(yàn)室中輕易檢測(cè)到。

“我們并不是說(shuō)這些增強(qiáng)劑完全是多余的，因?yàn)檫@一個(gè)或另一個(gè)并不重要，而是有一種機(jī)制可以防止對(duì)特定一代的有害影響，”Pennacchio總結(jié)道。“選擇發(fā)生在很多代人身上。”

總之，這些研究表明增強(qiáng)子冗余具有不同的重要性。“基因組是一個(gè)很大的地方，”迪克爾說(shuō)。“很難將基因組中的每個(gè)基因座都整合到一個(gè)特定的基因調(diào)控模型中。一些基因座比其他基因座具有更多的冗余。”

更廣泛的含義

諸如此類(lèi)的復(fù)雜問(wèn)題由生物系統(tǒng)科學(xué)解決，其中這些結(jié)果可用于在更大的背景下理解遺傳擾動(dòng)對(duì)遺傳和表達(dá)特征的影響。

最終，該團(tuán)隊(duì)對(duì)增強(qiáng)子突變是否會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)疾病感興趣。“現(xiàn)在全人類(lèi)基因組測(cè)序已成為現(xiàn)實(shí)，我們正專(zhuān)注于研究人類(lèi)突變?nèi)绾斡绊戵w內(nèi)的健康和發(fā)育，”Pennacchio說(shuō)。