+关注

手机看

微信扫一扫，随时随地看

PDE：基因组的激进清理工，是生命演化的关键吗？

iSynBio造物

2024-01-17 12:06发布于广东科普领域创作者

+关注

在显微镜下，蠕虫的胚胎细胞清除了自己三分之一的基因组——这是一种对抗“寄生DNA”的“强硬”策略。

造物引言

在当前的生物学领域，有关物种基因的遗传学存在一个共识，即生物个体在将自身的遗传信息传递给下一代时，会倾向于保留更多相同的拷贝，尽可能地保证遗传的稳定性，因为过多的基因组缺失或突变可能会导致一些重要功能的丢失，影响后代生存力。但今年发表在《当代生物学》期刊上的一项偶然发现打破了传统的遗传学观念——一些生物会故意舍弃自己的一部分基因，来减轻基因组不必要的“负重”，这种行为当前被称作程序性DNA消除（programmed DNA elimination，简称PDE）。目前对这种奇特现象的认知尚有不足，需要科学家进一步研究，以更好地理解这一机制在不同物种中的普遍性和具体作用。

玛丽·德拉特（Marie Delattre）是法国里昂高等师范学院的一名细胞生物学家。一天，她在研究微型蠕虫的有性生殖行为时，注意到了一些不同寻常的现象。

在显微镜下，假配型线虫（Mesorhabditis belari）的胚胎正如它本该进行的那样，进入正常的分裂程序，从一个细胞到两个细胞，再到四个细胞。但在某些细胞内，她观察到了莫名其妙的DNA片段，它们漂浮在不属于它们的地方。

她试图描述显微镜下的情景：“到处都是DNA，无论是细胞核内的，还是细胞核外的，到处都散落着大块大块的DNA。我还以为是个死胚胎。”

胚胎并没有死亡，但它正在做通常只有死细胞才会做的事情——破坏自己的基因组。德拉特表示道："我开始尝试追踪这些碎片何时出现、在哪个阶段出现，以及它们的样子。我这才发现这并不是偶然发生的，所有的胚胎都是这样。”

今年8月，德拉特和她的实验室将这次的偶然发现发表在《当代生物学》（Current Biology）杂志上。

(文章链接：Programmed DNA elimination in Mesorhabditis nematodes: Current Biology (cell.com)）

这种现象是程序性DNA消除（PDE）的一个实例，在本次案例中，生物似乎会有目的地消除其基因组的一部分。这是一种奇怪的现象，与以往“基因组是神圣不可侵犯的重要资源，必须忠实地传给下一代”的观念背道而驰。

迄今为止，研究人员只在所有生命分支中的大约100个物种中发现了PDE：具有多个细胞核的单细胞纤毛虫、微小的蠕虫、马肠道中数米长的寄生虫，乃至许多昆虫甚至一些鸣禽都能如此。

但是PDE很难被发现，以至于没有人能具体了解它到底有多常见。德拉特表示：“即便在生物学家中，这种现象也少有人知。”

德拉特的新论文除了证实了另一种PDE的存在，还暗示了PDE的一种可能解释。PDE指出了细胞与某些DNA序列之间存在长期争斗。这些DNA序列对它们的主人毫无用处，甚至可能使其不堪重负。

细胞必须像园丁一样防护好自己的基因组，及时清除掉那些无用的DNA序列，以保持其功能性和生产力。当“杂草”侵入了自己的“园圃”时，细胞该怎么办呢？新的研究表明，有些物种（如假配型线虫）可能会通过PDE把这些“杂草”拔除掉。

尽管看似新奇，但PDE现象在分子生物学研究早期就被发现了，那时研究人员甚至尚未知晓DNA是生命的遗传物质。

1887年，德国生物学家西奥多·博韦里（Theodor Boveri）在研究副蛔虫（Parascaris，一种寄生于马匹的线虫）的发育过程时，目睹了其庞大的基因组在有丝分裂过程中凝聚、分裂，然后重新组装成较小的部分。缺失的部分基因似乎被毫不客气地抛弃掉了。

法国里昂高等师范学院的细胞生物学家玛丽·德拉特震惊地发现，大块的DNA漂浮在不属于它们的细胞中。这些松散的DNA编码了一长串重复序列——它们可能是有害的基因组寄生虫。

在20世纪，研究人员发现了纤毛虫、飞蛾、桡足类、袋狸等少数几种生物会进行PDE，但它仍然是一个边缘概念。

人们依旧不清楚这些物种为什么能做到这一点。为了弄清PDE具体是怎样运行的，德拉特的实验室将一条成年蠕虫的DNA作为研究对象。

研究人员将假配型线虫的生殖细胞（精子和卵子等特化的生殖细胞）的基因组与蠕虫的体细胞（非生殖细胞）的基因组进行了比较。研究发现，蠕虫的体细胞基因组当中缺少了类似生殖细胞基因组的长串序列。在胚胎从7个细胞生长到32个细胞的过程中，大段的DNA消失了。

随后，科学家们在显微镜下观察线虫胚胎的发育过程。随着细胞生长和基因组复制，它们将20条染色体分解成片段，然后重新组装成40条微型染色体。大部分片段重新组合成全新的、更小的基因组，但也有相当一部分被遗漏了。

据统计，线虫总共删除了高达三分之一的基因组。被删除的序列并不是随机选择的，而是有规律可循。德拉特发现，它们大多是高度重复的DNA片段，且根本不具备编码基因的功能。

真核细胞的基因组中存在着类似的重复序列或非编码序列，其中一些发挥着必要的功能。

例如，卫星DNA可形成异染色质和中心粒等结构，对DNA进行包装，而其他重复序列则可调节基因表达。然而，有些重复序列对宿主的生存毫无帮助，甚至会产生干扰。

科学家正在对这只蠕虫幼体的DNA进行染色，以寻找丢失的序列。被删除的基因组片段（红色）只存活在蠕虫性腺的生殖细胞中；几乎所有其他体细胞（蓝色）的细胞核中都没有这些片段。

这一类重复序列中包括转座子，即能自我复制的DNA序列。它们窃取细胞中的“流水线设备”，成千上万次地复制自己。这相当于分子水平上的“重大盗窃案”，而且细胞还必须浪费时间和能量来对付这些“江洋大盗”。

细胞通常会用表观遗传标记来沉默转座子，或截获并破坏它们的RNA。但有些物种，例如假配型线虫，可能会通过PDE完全消除它们。

德拉特猜测，她的线虫正在这么做。康奈尔大学研究转座子的进化遗传学家乔纳森·威尔斯（Jonathan Wells）没有参与这项新研究，但他也认为DNA寄生虫可能是PDE的一个目标。他表示道：“对于管理转座子，你看得越多，就会了解到更多的机制。”

不过，转座子和其他具自我复制能力的DNA未必就一定是坏蛋。通过在基因组中反复复制，转座子还能为细胞提供能发生突变并进化产生新基因的新鲜材料。

宿主细胞自由随意地从寄生DNA中获取基因序列，使其成为正常基因组的一部分——或者换个角度看，这些“寄生虫”与宿主亲近到了足以被接纳的程度。

威尔斯说：“重复DNA元件是所有其他基因赖以生存的土壤，它们是产生新基因的丰富来源。”

既然转座子既可能有害，也可能有益，那么PDE除了对付它们之外，可能还有其他用途。就连德拉特也不相信转座子就是PDE的唯一目标。

尽管假配型线虫删除的重复DNA是有害的，但为什么只在体细胞而不在生殖细胞中删去那些“寄生DNA”呢？

除了对抗“寄生DNA”外，PDE还能在细胞经历不同生命阶段时，辅助它们精简基因组。许多在生物体胚胎发育时至关重要的基因，在个体发展到成熟期时已经不再必需。

如果细胞可以摆脱这些基因，为什么不将它们清除掉以提高效率呢？

基因组越大，复制和维护就越困难，一旦不适当地表达发育基因，就可能会造成问题。体细胞不需要像生殖细胞那样将完整的基因组传递给后代，因此去除不重要的元件可能是一种成功的进化策略。

没有人知道为什么会发生PDE。由于对它的研究尚浅，而且与许多根深蒂固的遗传学概念相矛盾（有一篇论文描述了一些鸣禽是如何删除整条染色体的，并将这些删除行为称为“孟德尔噩梦”），几乎任何假设都有可能成立。

(文章链接：Mendelian nightmares: the germline-restricted chromosome of songbirds | Chromosome Research (springer.com)）

因此，这就需要生物学家们进一步扩大搜索范围。德拉特说：“如果它存在于我们不了解的其他物种中，我们就需要去寻找它。”

通过更好地了解哪些物种在使用PDE，科学家们能进一步地理解为什么有些生物会无视潜在风险，选择如此激进的措施来管理它们的基因组。威尔斯表示：“我认为PDE比我们所知道的更为普遍。”

译者/张皓铭

审核/莫十二

编辑/麦璇风

免责声明：本内容来自腾讯平台创作者，不代表腾讯新闻或腾讯网的观点和立场。