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Nature:卫星DNA在早期胚胎发育过程中起着至关重要的作用

来源:本站原创 2020-05-10 06:19

2020年5月10日讯/生物谷BIOON/---所有有机体都有DNA,即提供生命蓝图的遗传物质。机体细胞中长长的双螺旋形的DNA分子首先被翻译成RNA分子,然后再翻译成蛋白,从而保证了细胞和整个有机体的运作。但是DNA中也有很大一部分没有被用来制造蛋白,因而被称为“垃圾DNA”,这是因为它们的功能长期以来一直不清楚。

然而,在一项新的研究中,来自荷兰拉德堡德大学医学中心的研究人员揭示在蚊子体内发现的重复出现数十次的某种类型垃圾DNA(称为卫星DNA)在蚊子胚胎的早期发育过程中起着至关重要的作用。相关研究结果近期发表在Nature期刊上,论文标题为“A satellite repeat-derived piRNA controls embryonic development of Aedes”。
图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2159-2。

早期发育

所有动物--在这项新的研究中,特别是黄热病蚊媒埃及伊蚊(Aedes aegypti)---都是由各种细胞类型组成,形成不同的组织和器官,所有这些细胞都是由一个受精卵产生的。这是一个复杂的过程;为了确保受精卵成功发育成胚胎,母体不仅提供了一半的遗传DNA,还为卵子提供了额外的蛋白和RNA。

这些RNA和蛋白是必不可少的补充,这是因为这些分子指导着受精卵的第一次细胞分裂。只有在多次细胞分裂后,母体才会产生促使进一步发育的蛋白和RNA。与此同时,母体额外提供的蛋白和RNA必须及时受到降解,以免干扰到蚊子的后续发育。

协调RNA

论文通讯作者、拉德堡德大学医学中心的Ronald van Rij及其团队发现打滑DNA(stuttering DNA,指的是聚合酶在复制含有大量重复核苷酸或重复序列的DNA区段---即卫星DNA---时,容易发生打滑现象)产生产生两种小RNA分子。这发生在蚊子胚胎发育的最早阶段。然而,这些小RNA分子并不产生任何蛋白。这些小RNA分子调节其他编码蛋白的RNA片段的活性。在这种情况下,它们会与母体的RNA分子结合,然后被降解。这一步非常重要:这些“调节性RNA”的缺乏会导致母体RNA分子继续存在,从而将会扰乱胚胎的后续发育。

卫星和恐龙

Van Rij强调了这项新的研究是多么非同寻常。“在这项研究中,我们有了一些完全出乎意料的发现。尽管卫星DNA在六十年前首次被发现,但人们对它的功能知之甚少。在这项研究中,我们发现它实际上在发育的关键阶段有一个非常重要的功能。”

此外,从进化的角度来看,这个机制显然是相当古老的。Van Rij说,“我们与瓦赫宁根大学的研究人员一起,对一大群蚊子物种进行了研究。这让我们发现,这种卫星DNA和特定的调控性RNA起源于2亿年前,也就是三叠纪晚期,这个时代与恐龙的兴起相吻合。我认为,这些小RNA这么长时间没有变化,这很好。这也特别说明,它们有重要的功能。”

从蚊子到人类?

不同动物物种的胚胎发育的第一步有明显的相似之处,但在分子水平上却有很大的差异。这段特殊的打滑DNA在人类身上没有发现,但有可能其他卫星DNA在人类或其他动物的胚胎发育过程中起着作用。

背景:一个偶然的发现

这项研究建立在一个偶然发现的基础上。埃及伊蚊是一种能传播登革热病毒和寨卡病毒等重要病原体的蚊子。Van Rij的研究团队研究了这些类型的病毒是如何通过蚊子传播的。Van Rij说说,“我们做了很多关于蚊子的免疫系统对抗病毒的研究。这种免疫系统能够识别病毒的RNA,并将其分解成小片段。在分析被病毒感染的细胞中的RNA片段时,Pascal Miesen和Rebecca Halbach意外地发现了并非来自病毒的小RNA分子。这些小RNA原来是由细胞本身的卫星DNA产生的。我们发现这一点非常了不起,于是决定进一步研究。经过5年的研究,我们终于获得了这些研究结果。”(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Rebecca Halbach et al. A satellite repeat-derived piRNA controls embryonic development of Aedes. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2159-2.

2.Stuttering DNA orchestrates the start of the mosquito's life
https://phys.org/news/2020-04-stuttering-dna-orchestrates-mosquito-life.html
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