研究发现真核基因组更像“一窝社会性昆虫”

社会性昆虫比喻基因组的示意图 邱国华供图

传统上,基因组被喻为一本书,即“生命之书”,主要是指蛋白质编码 DNA 贮藏遗传信息、能够被转录和翻译为蛋白质的功能。

然而,随着人类和越来越多其他高等生物基因组的完成,人们渐渐认识到将基因组比喻为书可能有点不合适了。龙岩学院生命科学学院教授邱国华等经过多年研究后将其比喻为“一窝社会性昆虫”。近日,相关文章发表于国际期刊《表观基因组学》。

非编码 DNA 是“保镖”

邱国华等人认为,基因组有别于一本书,主要是因为三个方面:一是在结构上,书中的内容是固定的、静止的,而基因组的内容,如果不是全部,大部分则是动态的;二是在功能上,书也没有反映出编码 DNA 需要转录和翻译才有生理功能这个特性;三是在内容上,基因组除了少数能翻译为蛋白质的编码 DNA 外,还有占大多数的不翻译为蛋白质的非编码 DNA。

因此,邱国华发现,有必要用一个更形象直观的比喻来形容基因组,以反映基因组的结构和功能。

据介绍,真核基因组的重要特征是:一般来说,编码蛋白质的编码 DNA 处于细胞核内基因组的核心位置,而不编码蛋白质的非编码 DNA 则处于基因组的外周,而且,越是外周的位置,编码 DNA 越少,非编码 DNA 越多;非编码 DNA 可以转录为很多小分子 RNA。

根据这些特征,邱国华首次提出了非编码 DNA 保护基因组和编码 DNA 的观点。并且,在《突变研究—突变研究评述》上发表了有关非编码 DNA 功能的文章,分别从抵抗辐射和外源核酸入侵所引起的 DNA 损伤的角度,阐述了非编码 DNA 在对基因组和编码 DNA 的保护中起着重要的作用。

“这也就是说,在细胞受到辐射时,因为水分的存在,辐射的能量在细胞质里产生自由基。辐射的能量和自由基穿过细胞核时,处于外周的非编码 DNA 组成的异染色质像‘保镖’挡子弹一样,为处于核心位置的蛋白质编码 DNA 减少辐射的能量和自由基,从而减少对蛋白质编码 DNA 的损伤,也就是减少了对生物体的伤害。”邱国华说。

同时,自由基在非编码 DNA 区域所产生的 DNA 损伤,则会以“染色体外环形 DNA”的形式,排到细胞质里,然后被核酸酶降解。因此,在细胞受到辐射时,编码 DNA 受到了非编码 DNA 的双重保护:“阻挡和排出”。

另一方面,当细胞受到外源核酸的入侵,如病毒感染时,非编码 DNA 会被诱导转录,在细胞质里产生与病毒相关的小分子 RNA,使得病毒核酸被降解和失活等。

因此,在细胞受到病毒感染时,编码 DNA 受到非编码 DNA 的三重保护:“长程的”小分子 RNA 的降解和失活(在细胞质);“短程的”保镖阻挡以及排出(在细胞核)。

一个“生命之窝”

基因组的这些特性,在与社会性昆虫的憩息、社会性,特别是防御机制比较后,邱国华等在世界上首次提出:相较于一本书,真核基因组在结构和功能上更像是“一窝社会性昆虫”,该文章发表于国际期刊《表观基因组学》。

实际上,基因组与社会性昆虫有许多相似之处。

首先,在结构方面,细胞核类似于社会性昆虫的巢,核孔是巢的出口;少数蛋白质编码序列类似于一只或者数只王后,位居中央;占大多数的非编码 DNA 类似于工蜂或者工蚁,处于外围。

其次,在防御机制方面,病毒的核酸在细胞质被小分子 RNA 失活,就像社会性昆虫被引出巢外,围剿入侵者。有些病毒核酸可能躲过了小分子 RNA 的杀戮,通过核孔进入细胞核,在到达核心区破坏蛋白质编码序列之前,受到基因组外围的非编码 DNA 阻挡,就像入侵者在巢内受到工蜂或者工蚁围攻一样。

而且,外源核酸的插入会引起非编码 DNA 的损伤,而损伤的非编码 DNA 和外源 DNA 一起,会被无损伤的非编码 DNA 转移至细胞质,就像入侵者被工蜂或者工蚁杀死,死亡的入侵者和工蜂或者工蚁都会被活的工蜂或者工蚁移出巢一样。

以上种种相似之处,使得社会性昆虫可能是对基因组的更好的比喻。“基因组可能更像是一个‘生命之窝’。”邱国华表示。

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