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“垃圾DNA”决定蛇鼠长出多少肋骨
来源:     作者:      2016-10-08 13:03       

 

小鼠胚胎非编码DNA中的突变导致其长出多余肋骨。图片来源:R. Aires, et. al.

为何蛇有25对或者更多肋骨,而老鼠只有13对?根据一项最新研究,答案可能在于“垃圾DNA”,即动物体内大量曾被认为无用的基因组。此项发现或许有助于解释身体形态的巨大改变是如何在进化史上发生的。

上世纪60年代,科学家开始发现垃圾DNA序列。虽然这些又被称为非编码DNA的基因组片段含有在基因中发现的相同遗传密码字母,但它们并不编码蛋白。于是,很多研究人员长期认为,这种神秘的遗传物质只是进化过程中累积的DNA碎片。不过,过去20年间,遗传学家发现,这种所谓的垃圾并非一无是处。它拥有重要的功能,比如开启、关闭基因,并且为基因活性的变化设定时间点。

最近,科学家甚至开始怀疑,非编码DNA在进化中扮演重要角色。身体形态便是一个恰当的例子。英国爱丁堡大学发育生物学家Valerie Wilson介绍说,各种脊椎动物的身体形态有很大不同,但在物种内部,肋骨等的数量基本上差不多。“一定有某些方式改变了那些调控进化的基因表达,从而产生了我们在整个脊椎动物当中看到的这种巨大差异”。

为深入探究该问题,由葡萄牙古尔班基安科学研究所发育生物学家Moises Mallo领导的团队向一种罕见的老鼠寻求帮助。大多数老鼠有13对肋骨,但Mallo及其同事饲养的一些突变小鼠品系拥有24对肋骨。它们的肋骨架一直沿着脊柱延伸,直到后肢。这和蛇的肋骨架相似。

该研究团队将额外的肋骨追溯至一个让GDF11基因失活的突变。GDF11会阻碍另一个名为OCT4的基因发挥作用,而后者能帮助干细胞维持转变成很多细胞类型的能力。在没有GDF11令OCT4活性降低的情况下,小鼠生长出额外的脊椎和肋骨。不过,GDF11似乎在蛇的体内表现正常。那么,是什么调控蛇的脊椎生长?研究人员决定探究OCT4周围的基因,以确定是否有一些别的事情正在发生。

OCT4基因本身在蛇、老鼠和人类体内是相似的,但周围的非编码DNA在蛇的体内看上去有所不同。为研究这种垃圾DNA是否为蛇提供了更加持久的生长突增,Mallo和同事将蛇的非编码DNA拼接进正常小鼠胚胎内,并使其位于OCT4周围。这些胚胎生长出大量的额外脊髓,表明这种垃圾DNA确实在身体形态的调控中发挥着作用。该团队在日前出版的杂志上报告了这一发现。

不过,并未参与此项研究的荷兰莱顿大学发育生物学家、蛇类专家Michael Richardson表示,研究人员将不得不开展更多工作,以明确证实他们的发现。蛇必须经过基因改造,才能拥有及早关闭OCT4的非编码DNA。不幸的是,对蛇进行基因改造几乎是不可能的,因为没有办法获取到非常早期的胚胎。“当蛇产卵时,它已经有了一个很小的头部和约26根脊柱,并因此朝着变为完全成形的蛇前进了。”Richardson解释说。

在发育生物学家看来,OCT4是利用非编码DNA改变动物身体构造的另一个进化例子。“我们知道,经常是侧翼序列或者调控序列而非基因本身发生了改变。”Richardson表示,“科学家在此项研究中明确证实的是,OCT4基因并没有什么不同,只是其表达的时间被延长。”

蛇是一种极端的变异。几乎所有脊椎动物都拥有头、颈、肋骨架和尾巴,但这些部分的长度在不同物种间有着很大差异。“火烈鸟有很长的脖子,但蛇拥有巨大的躯干。”Mallo解释说,“成分并没有变化,变的是添加‘配料’的数量和时间。”(来源:中国科学报 宗华)