基因組中的一些序列能夠開(kāi)啟或關(guān)閉基因。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界普遍認(rèn)為這些基因開(kāi)關(guān)，即所謂的增強(qiáng)子，在DNA中各自占據(jù)獨(dú)立的位置。即使是調(diào)控同一基因的不同增強(qiáng)子，它們也彼此分離，在身體的不同部位啟動(dòng)基因表達(dá)。然而，最近發(fā)表在《Science Advances》期刊上的一項(xiàng)研究挑戰(zhàn)了這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)。
植物和動(dòng)物的形態(tài)藍(lán)圖被編碼在它們的DNA中。然而，基因組中只有少部分（在哺乳動(dòng)物中約為2%）包含基因，這些基因提供了制造蛋白質(zhì)的指令。其余部分則主要負(fù)責(zé)調(diào)控基因何時(shí)何地發(fā)揮作用——具體包括基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的數(shù)量及由此合成的蛋白質(zhì)數(shù)量。
這些調(diào)控序列中的一類被稱為“增強(qiáng)子”，其作用類似于我們調(diào)節(jié)燈光亮度的調(diào)光器。它們能夠在特定時(shí)間和地點(diǎn)顯著增強(qiáng)某一基因的表達(dá)。調(diào)控形態(tài)的基因通常受到多個(gè)獨(dú)立增強(qiáng)子的調(diào)控，每個(gè)增強(qiáng)子負(fù)責(zé)該基因在不同身體部位的表達(dá)。
調(diào)控果蠅體色的增強(qiáng)子
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圖片信息：這些圖像顯示了特定增強(qiáng)子區(qū)域已被修飾的果蠅腹部。根據(jù)區(qū)域修改的程度和部分，顏料圖案的不同區(qū)域會(huì)發(fā)生變化。這表明該區(qū)域包含幾個(gè)非模塊化增強(qiáng)子（藍(lán)色 = 強(qiáng)基因表達(dá)；紅色 = 弱基因表達(dá)）。
一直以來(lái)，人們認(rèn)為增強(qiáng)子是模塊化的。這意味著每個(gè)增強(qiáng)子都占據(jù)一段獨(dú)立的DNA區(qū)域。然而，研究團(tuán)隊(duì)的第一作者，由Nicolas Gompel教授領(lǐng)導(dǎo)的波恩大學(xué)TRA“生命與健康”團(tuán)隊(duì)成員，波恩大學(xué)有機(jī)生物學(xué)研究所博士生Mariam Museridze表示：“我們的研究表明，這一觀點(diǎn)并不完全正確。”研究團(tuán)隊(duì)研究了果蠅中一個(gè)名為“yellow”的基因的調(diào)控方式。這個(gè)基因使果蠅產(chǎn)生褐色的黑色素。多個(gè)增強(qiáng)子共同調(diào)控“yellow”基因的活性。例如，有一個(gè)增強(qiáng)子負(fù)責(zé)幼蟲齒部的色素沉積，另一個(gè)則負(fù)責(zé)果蠅腹部條紋的形成。
“我們仔細(xì)研究了其中兩個(gè)增強(qiáng)子，”Museridze解釋道。第一個(gè)增強(qiáng)子控制翅膀上的色彩圖案，另一個(gè)增強(qiáng)子控制頭部、胸部和腹部的顏色分布。這兩個(gè)增強(qiáng)子在果蠅的變態(tài)過(guò)程中同時(shí)活躍。研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控身體色彩的增強(qiáng)子并未像預(yù)期那樣位于與翅膀增強(qiáng)子完全分開(kāi)的DNA區(qū)域。相反，這兩個(gè)基因開(kāi)關(guān)共享大片DNA區(qū)域，這些區(qū)域同時(shí)影響翅膀和身體的色素沉積。
增強(qiáng)子的復(fù)雜性與進(jìn)化意義
研究表明，基因組中調(diào)控序列的結(jié)構(gòu)比人們此前認(rèn)為的更加復(fù)雜。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)理解性狀在進(jìn)化中的變化具有深遠(yuǎn)影響。目前的研究認(rèn)為，增強(qiáng)子在這一過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。
許多蛋白質(zhì)對(duì)生物體的正常功能至關(guān)重要，因此其基因（即包含蛋白質(zhì)合成指令的DNA序列）發(fā)生突變可能會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果，甚至致命。因此，控制身體形態(tài)的基因（例如決定翅膀或腿數(shù)量的基因）在進(jìn)化中很少發(fā)生改變。增強(qiáng)子則提供了解決之道：當(dāng)增強(qiáng)子發(fā)生突變時(shí)，僅在特定組織和特定時(shí)間內(nèi)改變了相應(yīng)基因的活性，而不會(huì)對(duì)整個(gè)基因功能造成全面影響。
“因此，增強(qiáng)子突變的代價(jià)通常低于基因本身突變的代價(jià)，”Museridze表示。這使得新特征更容易在進(jìn)化中出現(xiàn)。她將這一過(guò)程比作烘焙蛋糕：雞蛋、面粉、牛奶和糖的混合比例決定了面團(tuán)的類型。在這個(gè)比喻中，增強(qiáng)子決定了“原料”的數(shù)量，而不是“原料”的種類。
基因突變類似于錯(cuò)誤地將一種原料替換成完全不相關(guān)的東西，例如用木屑代替面粉，其結(jié)果顯然不可接受。而增強(qiáng)子的突變則相當(dāng)于調(diào)整面粉的用量。Museridze指出：“如果增強(qiáng)子并不像我們想象的那樣完全模塊化，這意味著增強(qiáng)子突變可能會(huì)帶來(lái)更廣泛的影響。”換句話說(shuō)，這類突變可能同時(shí)影響多個(gè)“原料”的數(shù)量。然而，也可能增強(qiáng)子仍然保持獨(dú)立性，即使它們的序列交織在一起，依然只調(diào)控單一“原料”的數(shù)量。“我們希望進(jìn)一步研究這些可能性，”Gompel教授表示。“此外，我們還計(jì)劃探索這一發(fā)現(xiàn)是否具有普遍性，以及它對(duì)我們理解進(jìn)化機(jī)制的影響。”
雜志：Science Advances
DOI：10.1126/sciadv.adr9856
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