移動的小段DNA序列是從病毒遺留下來的,，也稱作轉(zhuǎn)座子或跳躍基因，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诨蚪M范圍內(nèi)移動而給有機(jī)體遺傳完整性和穩(wěn)定性造成一種巨大的危險(xiǎn),。這些轉(zhuǎn)座因子曾經(jīng)被認(rèn)為是基因寄生序列,，據(jù)信占據(jù)著差不多50%的人基因組,。因?yàn)檗D(zhuǎn)座子能夠?qū)τ袡C(jī)體DNA造成傷害，有機(jī)體進(jìn)化出一種類免疫反應(yīng)(immune-like response)關(guān)閉或沉默這些移動性遺傳成份(mobile genetic element),。
美國馬薩諸塞大學(xué)醫(yī)學(xué)院William E. Theurkauf和Zhiping Weng實(shí)驗(yàn)室的研究人員在《細(xì)胞》期刊上發(fā)表一項(xiàng)新研究給基因組如何保護(hù)自己免受這些入侵的DNA寄生序列的破壞提供新啟示,。
盡管眾所周知稱作Piwi相互作用RNA(Piwi-interacting RNAs, piRNAs)的特異性小RNA負(fù)責(zé)沉默轉(zhuǎn)座子，但是這種生物學(xué)上關(guān)鍵性系統(tǒng)如何對引入的新轉(zhuǎn)座子作出反應(yīng)仍沒有充分理解,。William E. Theurkauf說,，“基因組散落著這些轉(zhuǎn)座子。在果蠅中,，有120多種不同形式的轉(zhuǎn)座子,。我們正在研究宿主-病原體反應(yīng)中這些活性病原體,。與此同時(shí)，piRNAs是從基因組中含有這些轉(zhuǎn)座子部分序列的DNA區(qū)域產(chǎn)生的,，也是沉默這些移動性遺傳因子的基礎(chǔ),。”
為了理解基因組如何對引入的新轉(zhuǎn)座子作出反應(yīng)，Theurkauf 和同事們尋求野生果蠅的幫助,。不同于標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室培育的果蠅,，野生果蠅含有一個稱作P因子(P element)的轉(zhuǎn)座子，它是20世紀(jì)早期科學(xué)家開始培育果蠅研究基因遺傳性時(shí)發(fā)現(xiàn)的,。因此,，實(shí)驗(yàn)室培育的果蠅缺乏P因子轉(zhuǎn)座子和從母本遺傳的用來沉默這種轉(zhuǎn)座子所必需的piRNA。當(dāng)這些實(shí)驗(yàn)室培育的雌性果蠅與攜帶P因子的野生果蠅雜交時(shí),，產(chǎn)生的后代不能沉默這種侵入的轉(zhuǎn)座子,，因而不能生育。
Theurkauf實(shí)驗(yàn)室博士生Jaspreet Khurana進(jìn)行密切觀察,，發(fā)現(xiàn)當(dāng)這些果蠅長大時(shí),，雜交果蠅獲得可育性。Theurkauf說,，“基于觀察到這些果蠅恢復(fù)生育功能,，這似乎是它們可能學(xué)會如何關(guān)閉轉(zhuǎn)座子。我們決定利用這種系統(tǒng)來研究對新轉(zhuǎn)座因子的適應(yīng)過程,。”
利用包括下一代測序技術(shù)的跨學(xué)科方法,，Theurkauf和同事們能夠不育的雜交果蠅在不同發(fā)育階段的完整基因序列。Zhiping Weng實(shí)驗(yàn)室博士后Jie Wang分析這些基因信息以便觀察基因組如何對引入的新轉(zhuǎn)座子作出反應(yīng),。研究結(jié)果讓他們大吃一驚,。在雜交的果蠅后代中，新轉(zhuǎn)座子引發(fā)破壞全部piRNA機(jī)制的反應(yīng),。不僅是新引入的轉(zhuǎn)座子在基因組中跳躍從而導(dǎo)致問題產(chǎn)生,，而且果蠅120多種轉(zhuǎn)座子中大多數(shù)也變得活躍起來。Theurkauf說,，“基因組的這種大規(guī)模不穩(wěn)定性很可能是它們不育的原因,。”
然而，當(dāng)雜交果蠅長大時(shí),，這種新轉(zhuǎn)座子和所有已存在的固有轉(zhuǎn)座子(resident transposon)被關(guān)閉,，于是它們又恢復(fù)了可育性。Weng說,，“我們發(fā)現(xiàn)存在兩種機(jī)制負(fù)責(zé)沉默轉(zhuǎn)座子,。對P因子而言，結(jié)果是果蠅學(xué)會加工從父本遺傳的piRNAs轉(zhuǎn)錄本并將它們變成成熟的piRNAs從而沉默這種轉(zhuǎn)座子。相反,，固有轉(zhuǎn)座子跳躍到piRNA基因簇,，改變這些基因簇結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生新的piRNAs以便能夠沉默固有轉(zhuǎn)座因子,。”
Theurkauf說,，“我們研究的關(guān)鍵成果是當(dāng)引入單個新轉(zhuǎn)座子時(shí)，在這些雜交果蠅中,，它將導(dǎo)致激活基因組中所有轉(zhuǎn)座子和破壞可育性的遺傳危機(jī),。引人注目的是，另一方面,，改變的基因組結(jié)構(gòu)功能性地再恢復(fù)piRNA基因簇,，這樣它們更加有效地沉默轉(zhuǎn)座子。” (生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1016/j.cell.2011.11.042
PMC:
PMID:
Adaptation to P Element Transposon Invasion in Drosophila melanogaster
Jaspreet S. Khurana, Jie Wang, Jia Xu, Birgit S. Koppetsch, Travis C. Thomson, Anetta Nowosielska, Chengjian Li, Phillip D. Zamore, Zhiping Weng, William E. Theurkauf
Transposons evolve rapidly and can mobilize and trigger genetic instability. Piwi-interacting RNAs (piRNAs) silence these genome pathogens, but it is unclear how the piRNA pathway adapts to invasion of new transposons. In Drosophila, piRNAs are encoded by heterochromatic clusters and maternally deposited in the embryo. Paternally inherited P element transposons thus escape silencing and trigger a hybrid sterility syndrome termed P-M hybrid dysgenesis. We show that P-M hybrid dysgenesis activates both P elements and resident transposons and disrupts the piRNA biogenesis machinery. As dysgenic hybrids age, however, fertility is restored, P elements are silenced, and P element piRNAs are produced de novo. In addition, the piRNA biogenesis machinery assembles, and resident elements are silenced. Significantly, resident transposons insert into piRNA clusters, and these new insertions are transmitted to progeny, produce novel piRNAs, and are associated with reduced transposition. P element invasion thus triggers heritable changes in genome structure that appear to enhance transposon silencing.
