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Cell：復(fù)雜基因調(diào)控，或是“無(wú)心插柳”之作
2013-11-8 閱讀(406)
相比于低等細(xì)菌人類(lèi)無(wú)疑是優(yōu)雅、高等、復(fù)雜的生物，這一點(diǎn)或許看起來(lái)顯而易見(jiàn)，但就基因而論，一位加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家卻想要轉(zhuǎn)變對(duì)于人類(lèi)和細(xì)菌進(jìn)化的傳統(tǒng)看法。
加州大學(xué)舊金山分校的生物化學(xué)和生物物理學(xué)教授Hiten Madhani認(rèn)為，引導(dǎo)我們基因活性的分子并非是一群井然有序、協(xié)調(diào)運(yùn)作的運(yùn)動(dòng)選手，而是像一群酸腐的官僚阻礙工作，造成了不必要的效率低下。與之相比，細(xì)菌能夠有效率地執(zhí)行這些過(guò)程，較少挫折表達(dá)自身的基因。
Madhani在發(fā)表于11月7日《細(xì)胞》（Cell）雜志上，一篇題為“The Frustrated Gene: Origins of Eukaryotic Gene Expression”的文章中，陳述了自己的觀點(diǎn)。
盡管Madhani的想法是受到他自身的研究發(fā)現(xiàn)的刺激所產(chǎn)生，但他卻將他的Cell論文描述為是一個(gè)“如此”（ just so）的故事。這一向傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出挑戰(zhàn)的猜測(cè)，到目前為止還缺乏支持它的數(shù)據(jù)。他表示這一妙想源自于的科學(xué)家、諾貝爾獲得者Sydney Brenner。“生物學(xué)淹沒(méi)在了數(shù)據(jù)的海洋中，但它需要新的理論，”Madhani說(shuō)。
Madhani說(shuō)，大多數(shù)的科學(xué)家們都認(rèn)為，在人類(lèi)細(xì)胞中引導(dǎo)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)生成的分子機(jī)制必須非常復(fù)雜，才能使得驅(qū)動(dòng)多層面生物進(jìn)化和維持的反應(yīng)靈活多變。
但他認(rèn)為，遺傳調(diào)控機(jī)器的這種復(fù)雜性zui初進(jìn)化并非是“有心特意”為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)人類(lèi)的發(fā)展。相反，早期真核生物首先進(jìn)化出基因表達(dá)的復(fù)雜性，或許是為了阻礙反轉(zhuǎn)錄病毒等“寄生DNA”的感染，否則它們進(jìn)入到細(xì)胞核中會(huì)破壞正常的基因。
與人類(lèi)相反，沒(méi)有采用引導(dǎo)人類(lèi)基因表達(dá)的那些復(fù)雜機(jī)制，細(xì)菌適應(yīng)性地以無(wú)數(shù)種的方式進(jìn)化，控制它們的基因。事實(shí)上，包含數(shù)萬(wàn)億細(xì)胞的人類(lèi)，以及不過(guò)一個(gè)細(xì)胞的致病細(xì)菌，在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都一直在共同戰(zhàn)斗和進(jìn)化，多藥耐藥細(xì)菌或許就是在這億史詩(shī)般的斗爭(zhēng)中出現(xiàn)的一類(lèi)的惡棍。
盡管簡(jiǎn)單但細(xì)菌一直存在著。它們只有一條負(fù)載基因的染色體，缺乏細(xì)胞核。細(xì)菌的染色體沒(méi)有稱(chēng)之為染色質(zhì)的可修飾保護(hù)鞘。人類(lèi)和細(xì)菌細(xì)胞的基因表達(dá)有許多的其他細(xì)節(jié)存在差異。細(xì)菌是“原核生物”，顧名思義它們是在細(xì)胞進(jìn)化擁有細(xì)胞核之前出現(xiàn)的——根據(jù)來(lái)自化石的某些推測(cè)，時(shí)間是在30多億年前。人類(lèi)細(xì)胞擁有一個(gè)細(xì)胞核，以及許多被視之為是“真核生物”的其他特征。
Madhani說(shuō)，盡管人類(lèi)是在幾百萬(wàn)年前由猿類(lèi)進(jìn)化而來(lái)，真核生物或許是在15億年前單細(xì)胞酵母祖先出現(xiàn)之時(shí)就已存在——具有相同的復(fù)雜特征。
“認(rèn)為人類(lèi)基因表達(dá)的復(fù)雜屬性的發(fā)展推動(dòng)了復(fù)雜、多細(xì)胞生物的進(jìn)化，這一觀點(diǎn)或許是吸引人的。但真核基因表達(dá)的核心元件是在現(xiàn)代真核生物的遠(yuǎn)古單細(xì)胞祖先中建立。換句話說(shuō)，早期真核細(xì)胞已經(jīng)在適應(yīng)防止寄生DNA，”Madhani說(shuō)。
Madhani說(shuō)他的想法來(lái)自今年早些時(shí)候他發(fā)布的一項(xiàng)研究。他的研究小組發(fā)現(xiàn)，一種稱(chēng)作SCANR的真核細(xì)胞機(jī)器在阻止寄生DNA破壞基因組中發(fā)揮了一種從前未知的作用。
SCANR保護(hù)對(duì)抗了很早以前侵入人類(lèi)基因組的跳躍基因（轉(zhuǎn)座子）。轉(zhuǎn)座子可多次復(fù)制，將自身插入到基因組DNA中的隨機(jī)位點(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)座子將自身插入到一個(gè)重要基因之中時(shí)，它或許會(huì)導(dǎo)致功能失常、疾病或先天缺陷。
Madhani開(kāi)始思考細(xì)胞中有可能同樣阻礙某些病毒的其他機(jī)制，不同于細(xì)菌病原體，病毒是依賴(lài)于人類(lèi)宿主的遺傳機(jī)器進(jìn)行復(fù)制。
“但轉(zhuǎn)座子元件攻擊來(lái)自基因組內(nèi)部，而病毒攻擊來(lái)自外部，”Madhani說(shuō)。
除了限制接近DNA的染色質(zhì)，真核細(xì)胞還可能有一些RNA修飾和在蛋白質(zhì)生成之前檢測(cè)這些真核生物修飾的分子檢測(cè)者。細(xì)胞核自身受到門(mén)控，使得只有一些分子能夠進(jìn)入細(xì)胞核。許多其他的真核細(xì)胞現(xiàn)象zui早進(jìn)化或許都是為了抵抗病毒和轉(zhuǎn)座子元件。
