Science论文解读！跳跃基因在进化过程中不断形成新的基因

2021年2月24日讯/生物谷BIOON/---根据一项新的研究，就像乐高积木可以以新的方式排列以构建各种结构一样，遗传因子可以混合和匹配以制造新的基因。相关研究结果发表在2021年2月19日的Science期刊上，论文标题为“Recurrent evolution of vertebrate transcription factors by transposase capture”。

图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abc6405。

长期以来提出的一种制造新基因的机制称为外显子改组（exon shuffling），它的工作原理是将DNA序列的功能块重组成表达蛋白的新基因。

这项新的研究调查了在进化过程中如何将称为转座子或者说“跳跃基因”的遗传因子混入其中，以便通过外显子改组来组装新的基因。

转座子是基因组中丰富的组成部分---它们构成了人类DNA的一半，而且具有在基因组中自私地跳跃和复制的能力。一些转座子包含它们自己的基因，这些基因编码将遗传物质从一个染色体位置切割下来并粘贴到另一个染色体位置上的转座酶蛋白。

这项研究的重点是四足动物（四肢脊椎动物），它的重要性在于它表明转座子在进化过程中代表了制造新基因的重要力量。它还解释了对人类发育至关重要的基因是如何诞生的。

论文第一作者、美国国家卫生研究院博士后研究员Rachel Cosby博士说，“我们认为这种机制很可能超越了脊椎动物，也可能是非脊椎动物的基本机制。”

论文通讯作者、美国康乃尔大学农业与生命科学学院分子生物学与遗传学系教授Cedric Feschotte说，“这好比人们正在以不同的方式把砖头放进去，构建出全新的东西。我们正在研究基因如何诞生的问题。它的原创性在于，我们正在研究转座子在进化中制造具有新功能的蛋白的作用。”

在这项新的研究中，Cosby及其同事们首先分析了现有的四足动物基因组数据库，这是因为有500多种四足动物物种的基因组已经被完全测序。他们搜索了已知的转座子与宿主序列融合的特征性DNA序列的组合，以找到良好的候选对象进行研究。然后，他们选择了相对较晚（在几千万年前）进化出来的基因，这样他们就可以通过脊椎动物的生命树来追溯基因的产生历史。

虽然与这些转座酶融合的基因比较罕见，但是这些研究人员在脊椎动物的生命树上都发现了这些基因。他们沿着不同的物种谱系发现了100多个在过去3.5亿年中诞生的与转座酶融合在一起的不同基因，包括鸟类、爬行动物、青蛙、蝙蝠和考拉的基因，而在人类基因组中，共有44个基因以这种方式诞生。

Cosby及其同事们选择了4个较晚进化出来的基因，并在细胞培养物中进行了广泛的实验，以了解它们的功能。他们发现，这些基因编码的蛋白能够与特定的DNA序列结合，并关闭基因的表达。这类基因称为转录因子，是发育和基本生理学中的主调节基因。其中有一个这样的基因PAX6研究得很透彻，它作为主调节因子在所有动物的眼睛形成过程中起着关键作用，并且在整个进化过程中高度保守。

Feschotte说，“如果你把小鼠的PAX6基因导入到果蝇中，那么它会发挥作用。”虽然之前也有人提出PAX6来自于转座酶融合，但是在这项研究中，这些研究人员进一步验证了这一假说。

Cosby及其同事们在蝙蝠中分离出这样的一个较晚进化出来的基因，称为KRABINER，然后利用CRISPR基因编辑技术将它从蝙蝠基因组中剔除，看看有哪些基因受到影响，然后再将它添加回去。这一实验发现，当KRABINER被剔除时，数百个基因失去调节，而当他们将KRABINER添加回去时，功能又恢复正常。Cosby说，KRABINER基因表达的蛋白与蝙蝠基因组中的其他相关转座子结合在一起。

Feschotte说，“这一实验发现，它通过过去相关的转座子在整个蝙蝠基因组中的分散，控制着一个由其他基因组成的大型网络，这样不仅制造新的基因，而且还制造了一个基因调控网络。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Rachel L. Cosby et al. Recurrent evolution of vertebrate transcription factors by transposase capture. Science, 2021, doi:10.1126/science.abc6405.

2.Aaron Wacholder et al. New genes from borrowed parts. Science, 2021, doi:10.1126/science.abf8493.

3.'Jumping genes' repeatedly form new genes over evolution
https://phys.org/news/2021-02-genes-repeatedly-evolution.html