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研究发现人类和小鼠中基因调控的趋同进化

2019-05-05 10:35:02 • 来源：

不紧密相关的生物可能会在适应类似挑战时发展出类似的特征。它被称为趋同进化，熟悉的例子包括鸟类，蝙蝠和昆虫的翅膀，以及蝙蝠和海豚的回声定位。现在，分子生物学家已经发现了人类和小鼠基因调控的重要机制中趋同进化的证据。

研究发现人类和小鼠中基因调控的趋同进化

这项新研究于1月15日发表在美国国家科学院院刊上，由加州大学圣克鲁兹分校和罗切斯特大学医学中心的研究人员领导。他们描述了一个复杂的系统，它在两个物种中以相同的方式调节相同的基因，但在两个谱系中独立进化。

在这两种情况下，调节系统涉及非编码RNA(未翻译成蛋白质分子的序列)，其起源于通过“跳跃基因”(反转录转座子)随机插入基因组的DNA区段。

“这项研究强调了非编码RNA和转座因子在基因表达调控和哺乳动物基因组基因表达网络进化中的重要性，”共同作者，加州大学圣克鲁兹分校，细胞和发育生物学教授Manuel Ares说。

只有大约2%的人类基因组被复制到信使RNA分子中，以编码在所有细胞中运行主要过程的蛋白质。大多数基因组的其余部分被转录为非编码RNA，其功能在很大程度上是未知的，但被怀疑在基因调控和进化中发挥多种作用。

许多这些非编码RNA是从称为短散布核元件(SINE)的重复DNA序列中复制而来的。一旦转录成RNA，它们就可以被复制回DNA并在称为逆转座的过程中“粘贴”到新的位置。有时这些新拷贝落在基因内或基因附近并可能对它们造成伤害。其他时候，他们可以为基因添加新的属性。

在人类基因组中，主要的SINE家族由所谓的“Alu元素”组成。Alu有超过100万份，包含超过10%的人类DNA，散布在整个基因组中，其中一些可能仍然能够跳到新的位置。

然而，小鼠基因组没有Alus;相反，它有一组不同的SINE，称为B / ID元素。不同的哺乳动物基因组具有不同的SINE，因为在不同物种与其最后共同祖先分离之后，不同SINE的逆转录的周期性突发继续发生。在人类和老鼠的情况下，他们的血统在大约9千万年前分化。

“令人惊讶的是，当比较小鼠和人类基因组时，SINE的位置非常相似，即使SINE本身和放置在这些位置的事件非常不同，”Ares说。“我们想知道什么可以解释这两个独立进化的基因组中SINE插入的明显趋同。”

罗切斯特大学的Lynne Maquat实验室发现，在编码信使RNA尾部的基因部分(称为3-prime非翻译区或3'-UTR)中的SINE将mRNA置于一种叫做蛋白质的蛋白质控制下。 Staufen，通过称为“Staufen介导的衰变”或SMD的过程下调基因的表达。先前在人和小鼠细胞中记录了SINE介导的SMD的个体实例，在每种情况下具有不同的SINE。

由于人类和小鼠基因组中的现代SINE不在共同的祖先中，所以依赖于SINE的基因表达的所有变化必定在人和小鼠分离后发生，而不是在它们的共同祖先中。

“通常我们认为重要的基因表达控制系统很久以前就已经进化，但是对于SINE介导的SMD的调控，情况并非如此，”Ares解释道。“我们提出的问题是：是否有任何情况下小鼠和人类中的相同基因被带入SINE介导的SMD，尽管在小鼠和男性的单独进化历史中某些时候使用不同的SINE?如果是这样，有多少?基因调控网络的融合进化有多常见?SINE经常在批判性改变基因表达控制方面发挥作用?“

在Rochester和UCSC实验室的合作中探索了这些问题，其中分析来自两种生物的肌肉前体细胞(成肌细胞)以鉴定插入了SINE的基因对(编码相同蛋白质的小鼠和人类基因)。 mRNA尾巴并且在Staufen的控制下。这种基因对的数量大于预期的偶然事件的实例将表明成熟细胞中Staufen调节网络趋同进化的可能性，其中已知SMD对于基因控制是重要的。

在成肌细胞中，研究人员能够检测到24个受Staufen调控并具有物种特异性SINE的基因。这是最小数量的潜在收敛对，因为并非所有基因都在成肌细胞中表达，Ares指出。本文中的其他实验证实了SINE的作用(通过去除它并显示mRNA变得稳定且对Staufen的存在不敏感)对于两个基因对。

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