国产精品

如何评价《自然》4月4日在线报道的遗传补偿效应

作者:admin    文章来源:未知    点击数:    更新时间:2021-10-24 11:35

遗传补偿反应(GCR)是近年来首次在斑马鱼中描述的一种遗传现象,这意味着当某个基因被敲除时,它具有明显的表型,但该基因被敲除的遗传突变体由于其他基因的上调而没有表型。基因敲除和敲除之间的这种表型差异并不是斑马鱼独有的,在拟南芥和小鼠等模式生物中也观察到了这种现象。这种奇怪的现象一直困扰着基因功能的研究。

2019年4月3日,《自然》杂志同时在线发表两篇论文:一篇来自浙江大学生命科学学院陈军实验室,另一篇来自德国马克斯·普朗克研究所斯坦尼尔实验室。

携带PTC的mRNA通过Upf3a和COMPASS成分引起遗传补偿反应。Nature,2019,568(7751):259–263。

El-Brolosy MA,Kontarakis Z,Rossi A,Kuenne C,gun ther S,Fukuda N,Kikhi K,Boezio GLM,Takacs CM,Lai SL,Fukuda R,Gerri C,Giraldez AJ,Stainier DY。突变型mRNA降解引发的遗传补偿。Nature,2019,568(7751):193–197。

这两篇文章以斑马鱼或小鼠培养细胞中不同基因的遗传突变体为模型,证明无义突变和核酸序列同源性是激活遗传补偿效应的两个前提。无意义的mRNA介导的降解途径参与激活遗传补偿效应。同时观察到补偿基因的高表达与其转录起始位点组蛋白H3K4me3的修饰有关。

DNA是细胞的遗传物质,DNA时刻受到损伤威胁。DNA损伤有来自于内在的因素,如基因复制错误、细胞分裂、代谢产生的活性氧;也有来自于外在因素,如电磁辐射、电离辐射、化学诱变剂等。每个细胞的基因组DNA每天会遇到差不多 10^{4} 次损伤。DNA损伤会造成多种类型的基因突变,包括错义突变、缺失突变、无义突变、染色体重排等。其中最严重的类型之一就是无义突变,即提前终止密码子突变(premature termination codon, PTC)。DNA是细胞的遗传物质,总是受到损伤的威胁。DNA损伤来源于内部因素,如基因复制错误、细胞分裂、代谢产生的活性氧等。还有外部因素,如电磁辐射、电离辐射、化学诱变剂等。每一个细胞的基因组DNA几乎每天都在受损。DNA损伤可引起多种类型的基因突变,包括错义突变、缺失突变、无义突变、染色体重排等。最严重的类型之一是无义突变,即过早终止密码子(PTC)。

DNA损伤产生基因突变,在生命进化中起重要作用。许多突变会使基因失去功能。如果细胞不采取对策,而这些基因的功能又非常重要,那么细胞就会发现难以生存,从而失去生命的意义。生物体进化出许多应对基因突变以适应生存的机制,其中之一就是遗传补偿效应。这两篇论文报道了遗传补偿效应的分子机制。

陈军先生的实验室在研究斑马鱼体内的一种钙调素酶Capn3a时发现,当用吗啉代抑制蛋白质翻译将该基因敲除后,斑马鱼胚胎会出现肝脏表型变小的现象。为了进一步研究capn3a基因在肝脏发育中的作用,利用TALEN技术构建了一个capn3a基因敲除突变体,突变后的capn3a转录本在第60位密码子出现终止密码子,即无义突变。令人不解的是,该突变体发育正常,没有表现出小肝的表型。因此推测capn3a突变可能激活“遗传补偿效应”。通过检测突变体中19个capn家族基因的表达,发现许多家族基因被上调,也证明了capn3a突变体没有表型,因为这些家族基因被上调以补偿其功能。Stainier实验室发现,hbegfa、vcla、hif1ab和vegfaa的基因敲除也激活了相应的遗传补偿效应。两个实验室根据各自的遗传突变体,分别探讨了遗传补偿效应的分子机制,得出了相似但不同的结论。

如果mRNA发生无义突变,这些mRNA通常会被降解

细胞中的基因表达受到密切监控。如果无义突变mRNA连续翻译成蛋白质,就会提前终止,产生比正常蛋白质短的蛋白质。这种短蛋白往往没有功能,甚至有细胞毒性和显性副作用。真核生物进化出了一种mRNA质量监测系统,即无义mRNA介导的降解途径(NMD),这意味着当基因发生无义突变时,从该基因转录的无义mRNA会被NMD降解途径识别,并被带出细胞核进行降解,从而消除翻译短蛋白对机体的副作用。

无义mRNA降解途径是否参与基因补偿效应,upf3a是否具有新的生理功能,在这两篇论文发表之前还没有明确答案。

无义突变与核酸序列同源性是激活遗传补偿效应的必要条件

因为以前斑马鱼capn3a的无意义突变胚胎没有小肝表型,这是遗传补偿效应造成的。为了研究是否只有无义突变才能激活补偿效应,陈军先生的实验室利用CRISPR/Cas9技术构建了几个capn3a突变体,携带不同类型的突变,如:框内缺失突变(缺失序列长度为3倍);不同位置的无意义突变;最后一个外显子的终止密码子突变。此外,在斯坦尼尔实验室中,利用相同的技术路线获得了不同类型的遗传突变体,如框内缺失突变。在最后一个外显子上有早期终止密码子的突变体;启动子缺失突变体。不同遗传突变体的分析结果也表明,只有无义突变才能激活遗传补偿效应。

此外,他们还观察到补偿基因和无义突变基因之间的核酸序列同源性。基于这些结果,他们提出了一个假设,即无义突变mRNA可以通过增加同源基因的表达来达到补偿作用。如果这个假设是正确的,那么具有这些特征的转基因也可以激活内源性基因的表达。因此,他们设计了不同的转基因载体,并用这些载体构建了一系列转基因斑马鱼。结果表明,只有携带早期终止密码子(无义突变)和核酸同源序列的转基因载体才能诱导和提高内源同源基因的表达。Stainier实验室测序转录物发现,同源基因在小鼠细胞系中也上调,Fermt2、Actg1和Actb基因分别被敲除。在斑马鱼中,他们采用了体外注射的方法,证明了只有注射与内源基因同源的帽状结构RNA才能激活相应内源基因的上调。斑马鱼和小鼠的实验结果表明,无义突变和核酸序列同源性是激活遗传补偿效应的两个必要条件。

无义 mRNA 降解途径参与遗传补偿效应

既然只有无义突变才能诱导遗传补偿效应,而NMD降解途径是目前已知的唯一监测细胞内无义突变的机制,那么NMD是否参与了遗传补偿效应?在capn3a突变体中,通过敲除NMD降解途径中的几个关键因子upf1、upf2、upf3a和upf3b,分析了敲除这些基因对补偿基因表达的影响。为了进一步验证这些基因在遗传补偿中的作用,我们通过CRISPR/Cas9方法构建了upf1、upf3a和upf3b突变体。在此基础上,将该突变体与capn3a突变体杂交,获得每个基因和capn3a的双敲除突变体。

有趣的是,遗传补偿效应不需要无义突变mRNA降解所涉及的因子,如upf1、upf2、upf3b。相反,敲除或敲除功能尚未明确的因子upf3a会阻止capn3a突变体的遗传补偿效应,使其出现小肝表型。同时,利用另一个具有遗传补偿效应的nid1a基因突变体,验证了NMD通路中这些关键因子在遗传补偿效应中的作用,获得了相似的实验结果。这些实验数据充分证明upf3a是参与遗传补偿效应的关键因素。另一方面,Stainier实验室敲除了基于hbegfa、vcla和vegfaa基因突变体的upf1,发现遗传补偿效应下降,因此他们提出无义mRNA的降解过程参与了遗传补偿效应。

结合两个实验室的结果,可以得出NMD途径参与了遗传补偿效应的激活。

遗传补偿效应与组蛋白修饰

以上实验结果证明,无义突变mRNA与之前认为的不一样,并非一无是处。无义突变mRNA的转录和翻译及其完整性是“遗传补偿效应”所必需的。因此推测无义突变型mRNA可能与某些长非编码RNA (lncrna)具有相似的功能,即可以与compass(与set1相关的蛋白质的复合体)结合,促进某些基因的表达。COMPASS复合物主要负责组蛋白H3赖氨酸4三甲基化(h3k4me3),改变染色质结构,促进基因表达。

为了验证这一猜想,利用染色体免疫沉淀试验(chip)检测了代偿效应基因启动子区H3K4me3修饰的程度,发现在capn3a突变体中H3K4me3修饰显著增加。此外,敲除upf3a将减少capn3a突变体中补偿效应基因的启动子区H3K4me3的修饰。最后,通过蛋白质相互作用实验证明Upf3a在COMPASS复合物中可以直接与支架蛋白Wdr5结合。通过敲除或敲除wdr5阻断capn3a突变体的遗传补偿效应。这些实验结果充分表明,补偿效应基因的启动子区H3K4me3修饰在遗传补偿效应中起着重要作用。

Stainier实验室发现,在敲除小鼠细胞系中,补偿效应基因的启动子区H3K4me3修饰显著增加,敲除Wdr5会削弱遗传补偿效应。同时,敲除Upf1也会减少相应补偿基因启动子区的H3K4me3修饰。两个实验室都证实了遗传补偿效应与染色质的表观遗传修饰密切相关。

【/s2/】总结【/s2/】根据以上两个实验室的研究成果,提出了“遗传补偿效应”的分子机制模型:无义突变mRNA转录后,可与Upf3b结合,通过NMD途径在细胞质中降解;同时,未降解的无义mRNA或降解片段可以与Upf3a结合,在Upf3a蛋白的帮助下,这些RNA重新进入细胞核。Upf3a招募COMPASS复合物,并借助无义突变mRNA,靶向与无义mRNA具有核酸序列同源性的基因附近。COMPASS复合体通过改变基因启动子区的表观遗传修饰改变染色质构象,促进同源基因表达,补偿缺失基因的功能,完成补偿效应。

遗传补偿效应并不是斑马鱼独有的,也存在于其他模式生物中,如小鼠和拟南芥。来自不同实验室的人类基因组测序结果显示,正常人的基因组中存在大量携带纯合无义突变的基因,部分基因的错义突变会引起严重的人类遗传病。“基因补偿效应”可能是造成这一现象的重要原因。研究成果不仅在理论上有重大突破,而且具有实用价值。比如,“遗传补偿效应”对生物体的生存意义重大,但却是研究基因功能的巨大障碍。80%以上的斑马鱼基因被敲除后没有表型,因此很难研究这些基因的功能,大部分是由“遗传补偿效应”引起的。要解决这个问题,我们可以根据这两项研究发现的机制,阻断“基因补偿效应”。同时,在构建突变体时,尽量避免构建导致无义突变的突变体,如敲除基因启动子,以减少基因补偿效应的发生。

参考文献

携带PTC的mRNA通过Upf3a和COMPASS成分引起遗传补偿反应。Nature,2019,568(7751):259–263。

El-Brolosy MA,Kontarakis Z,Rossi A,Kuenne C,gun ther S,Fukuda N,Kikhi K,Boezio GLM,Takacs CM,Lai SL,Fukuda R,Gerri C,Giraldez AJ,Stainier DY。突变型mRNA降解引发的遗传补偿。Nature,2019,568(7751):193–197。




    Powered by 久热在线国产视频精品 @2018 RSS地图 HTML地图

    2013-2021 版权所有