生物谷報道：來自普林斯頓大學(xué)生態(tài)學(xué)及進(jìn)化生物學(xué)系（Department of Ecology and Evolutionary Biology）,，電子工程系的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的生物機制,，為了解細(xì)胞內(nèi)容工作打開了一面更清晰的窗口,，而且這一機制描述了一種“表觀遺傳學(xué)”途徑,，有助于科學(xué)家們更深入的研究旁支DNA遺傳機制,。這一研究成果公布在Nature在線版上,，將于1月10日出版。
領(lǐng)導(dǎo)這一研究的是普林斯頓大學(xué)的生物學(xué)家Laura F. Landweber,，參與研究的還包括她的博士后研究員周毅（Yi Zhou,，音譯，生物谷注）及Mariusz Nowacki,。
這一研究也為調(diào)控細(xì)胞過程,，比如DNA片段的剪接提出了一種新方法,，以及增加了對于自然細(xì)胞調(diào)控過程，比如DNA何處的片段在發(fā)育過程中會保留下來的了解,。
表觀遺傳學(xué)是與遺傳學(xué)（genetic）相對應(yīng)的概念,，指的是基于非基因序列改變所致的基因表達(dá)水平變化，如DNA甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象變化等,，即所謂的拉馬克演化（Lamarckian evolution,，生物谷注），比如說長頸鹿的脖子長度是由于為了夠得到頂端更加豐富的樹葉,，獲得更好的生存條件進(jìn)化而來的,。
周毅等人為了了解細(xì)胞如何完成這些工作——不改變原有遺傳程序重組基因組，選擇了單細(xì)胞原生動物纖毛蟲Oxytricha trifallax（生物谷注）作為研究對象,。
Oxytricha trifallax生活在淡水里，作為生物學(xué)的實驗動物已經(jīng)有100多年歷史了,，對理解細(xì)胞活動作出了許多貢獻(xiàn),。它擁有約3萬個基因，與小鼠不相上下,，但基因組大小卻只有老鼠的1/60左右,。這表示它的DNA序列中“垃圾”很少。對它進(jìn)行測序?qū)⒔o遺傳學(xué)研究帶來非常有意義的新啟發(fā)——而且省錢,。
當(dāng)兩個纖毛蟲進(jìn)行配對的時候,，細(xì)胞核就會分裂進(jìn)行重構(gòu)，生殖細(xì)胞核中有95％的DNA會在一種新細(xì)胞核再生過程中被壓縮,，這個過程需要將相對于人類基因組三分之一大小的基因組包裝成一個小片段,，只留下5％的DNA能用于編碼功能。但是這部分保留下來的DNA能被正確選擇,，然后由細(xì)胞解讀形成一個新的工作基因組,，這個過程被稱為基因組雜技（genome acrobatics，生物谷注）,，至今這個過程雖然被詳細(xì)研究過,，但是了解的并不是很多。
通過一系列的實驗,，研究人員發(fā)現(xiàn)DNA或RNA分子能提供在發(fā)育過程中丟失了的“指導(dǎo)手冊”,，并且試圖分析想象中模板是由RNA還是DNA組成的。DNA是大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì),，但是我們也知道RNA在多樣性方面也扮演了一個重要角色,。RNA是DNA的“遠(yuǎn)親”，在蛋白構(gòu)建的遺傳編碼解釋中起著主要的作用,。
為了搞清楚這一點,，首先,，研究人員嘗試著確定RNA cache的這一想法是否有效，他們將特異性RNA干擾物質(zhì),，即RNAi在fertilization前導(dǎo)入到細(xì)胞中,，這一實驗獲得了明確的結(jié)果：擾亂了發(fā)育過程，甚至在一些實驗中停止了DNA重組,。
在第二個實驗中,，周毅和Nowacki發(fā)現(xiàn)RNA模板確實存在于早期細(xì)胞發(fā)育過程中，并且存在時間之久能設(shè)計構(gòu)想出重構(gòu)主要細(xì)胞核的模式,。這之后研究人員緊接著做了第三個實驗,，Landweber認(rèn)為，“這意味著重新編程細(xì)胞會導(dǎo)致其自身遺傳物質(zhì)shuffle,。”
周毅和Nowacki,，與另外一位普林斯頓電子工程系研究生Vijayan一同構(gòu)建了人工RNA模板和DNA模板，這些模板都是編碼一種新穎的,，預(yù)定（pre-determined,，生物谷注）模式，也就是說,，這將采用纖毛蟲的DNA模式,，比如1-2-3-4-5片段，調(diào)換其中的兩個產(chǎn)生1-2-3-5-4片段,。將這種人工合成的模板注入到發(fā)育中的細(xì)胞立,，得到了預(yù)計的結(jié)果，這說明特異性RNA模板能為這樣的途徑中解讀細(xì)胞核片段提供一套新的規(guī)則,。
臺灣中研院分生所所長的姚孟肇博士表示,，“這一重要的發(fā)現(xiàn)首次說明RNA能提供指導(dǎo)DNA精確重組的序列信息，導(dǎo)致生物生長需要的基因和基因組的重構(gòu)”,，“這揭示出遺傳信息能通過RNA,，而不是DNA傳遞給下一代。”
如果這一機制能延伸到哺乳動物細(xì)胞,，那么這也許就指出了一種操作基因的新方式,，這種新方法不同于已知的標(biāo)志基因工程的方法，能應(yīng)用于獲得逆轉(zhuǎn)不正常細(xì)胞的基因,。
生物谷推薦英文原文：
Nature advance online publication 28 November 2007 | doi:10.1038/nature06452; Received 3 August 2007; Accepted 5 November 2007; Published online 28 November 2007
RNA-mediated epigenetic programming of a genome-rearrangement pathway
Mariusz Nowacki1, Vikram Vijayan2, Yi Zhou1, Klaas Schotanus1, Thomas G. Doak1 & Laura F. Landweber1
Department of Ecology and Evolutionary Biology, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, USA
Department of Electrical Engineering, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, USA
Correspondence to: Laura F. Landweber1 Correspondence and requests for materials should be addressed to L.F.L. (Email: [email protected]).
Genome-wide DNA rearrangements occur in many eukaryotes but are most exaggerated in ciliates, making them ideal model systems for epigenetic phenomena. During development of the somatic macronucleus, Oxytricha trifallax destroys 95% of its germ line, severely fragmenting its chromosomes, and then unscrambles hundreds of thousands of remaining fragments by permutation or inversion. Here we demonstrate that DNA or RNA templates can orchestrate these genome rearrangements in Oxytricha, supporting an epigenetic model for sequence-dependent comparison between germline and somatic genomes. A complete RNA cache of the maternal somatic genome may be available at a specific stage during development to provide a template for correct and precise DNA rearrangement. We show the existence of maternal RNA templates that could guide DNA assembly, and that disruption of specific RNA molecules disables rearrangement of the corresponding gene. Injection of artificial templates reprogrammes the DNA rearrangement pathway, suggesting that RNA molecules guide genome rearrangement.
