加州大學(xué)的科學(xué)家們對(duì)靈長(zhǎng)類動(dòng)物進(jìn)行了深入的基因組研究。研究顯示，靈長(zhǎng)動(dòng)物基因組中的競(jìng)爭(zhēng)性元件，在進(jìn)行一場(chǎng)持續(xù)不斷的軍備競(jìng)賽，而這種競(jìng)爭(zhēng)正是復(fù)雜基因組進(jìn)化的重要?jiǎng)恿Α；蚪M在此基礎(chǔ)上建立了復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)每個(gè)細(xì)胞中的基因活動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。這一重要發(fā)表在九月二十八日的Nature雜志上。

這場(chǎng)軍備競(jìng)賽是在反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與其控制基因之間上演的。研究人員首次鑒定了控制反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的人類基因，這些基因編碼的蛋白能夠關(guān)閉這類轉(zhuǎn)座子的活性。他們還追溯了這些抑制基因在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中的快速演化。

轉(zhuǎn)座子又稱為“跳躍基因”，據(jù)估計(jì)跳躍基因大約占人類基因組的一半以上，而反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是其中最常見的一種類型。反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子被認(rèn)為是古代病毒感染后留下的痕跡，正常情況下它們只能隨著基因組進(jìn)行復(fù)制。雖然這些轉(zhuǎn)座子的跳躍大多是中性的，但也可能導(dǎo)致基因失活甚至引發(fā)癌癥。在生殖細(xì)胞系中，轉(zhuǎn)座子的跳躍還可能導(dǎo)致不育。因此，自然選擇更傾向于阻止跳躍事件的發(fā)生。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中，靈長(zhǎng)類基因組中反復(fù)出現(xiàn)過跳躍基因發(fā)生突變并脫離控制的情況。為此，相應(yīng)的抑制基因基因也在不斷的進(jìn)化。研究顯示，這些原本負(fù)責(zé)關(guān)閉轉(zhuǎn)座子的基因，后來又在基因組中起到了其他的調(diào)控作用。

“我們基因組中的基因數(shù)量與青蛙差不多，但我們的基因組更為復(fù)雜，基因調(diào)控的層次更多。這項(xiàng)研究為我們揭示了這些調(diào)控系統(tǒng)的來源，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Sofie Salama說。

這項(xiàng)研究鑒定的抑制子屬于KRAB鋅指蛋白家族。KRAB鋅指蛋白是抑制基因活性的DNA結(jié)合蛋白，它們組成了哺乳動(dòng)物中最大的基因調(diào)控蛋白家族。人類基因組有四百多個(gè)基因編碼KRAB鋅指蛋白，其中約有170個(gè)是靈長(zhǎng)類動(dòng)物分支出來之后出現(xiàn)的。

研究顯示，這一家族的擴(kuò)張對(duì)應(yīng)著反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的活性波動(dòng)。，研究人員認(rèn)為，抑制一個(gè)跳躍基因也會(huì)影響它附近的其他基因。也就是說，這些抑制子能夠調(diào)控其他的基因。當(dāng)跳躍基因因?yàn)殡S機(jī)突變發(fā)生退化之后，抑制基因的調(diào)控功能保留下來并進(jìn)行了演化。

“這種抑制子的工作機(jī)制是，一部份結(jié)合DNA序列，一部分招募其他蛋白，形成一個(gè)抑制性的蛋白復(fù)合體。這勢(shì)必會(huì)影響附近的基因。”Salama說。

KRAB鋅指蛋白一直是人們研究的熱點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诨蚪M中起到了復(fù)雜的調(diào)控作用。此前就有研究顯示，這些蛋白能夠在小鼠胚胎干細(xì)胞中沉默跳躍基因。

研究人員將靈長(zhǎng)類動(dòng)物的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子引入小鼠胚胎干細(xì)胞進(jìn)行測(cè)試。這些在靈長(zhǎng)類細(xì)胞中受到抑制的跳躍基因，在小鼠細(xì)胞內(nèi)恢復(fù)了活性。隨后，研究人員又在小鼠細(xì)胞中，測(cè)試了鋅指蛋白關(guān)閉靈長(zhǎng)類跳躍基因的能力。

“小鼠細(xì)胞缺乏靈長(zhǎng)類動(dòng)物的鋅指蛋白，所以把靈長(zhǎng)類反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子放到小鼠細(xì)胞中，它們能夠恢復(fù)活性，”Salama解釋道。

研究顯示，兩個(gè)人類蛋白ZNF91和ZNF93能夠結(jié)合并抑制主要的靈長(zhǎng)類反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（SVA和L1PA）。研究人員經(jīng)過艱難的靈長(zhǎng)類動(dòng)物基因組分析（包括重建古代基因組），發(fā)現(xiàn)在八百萬到一千二百萬年前，ZNF91發(fā)生了結(jié)構(gòu)改變，賦予了它抑制SVA的能力。

隨后，研究人員分析了關(guān)閉L1PA 活性的ZNF 93。他們發(fā)現(xiàn)，跳躍基因與抑制子之間存在驚人的軍備競(jìng)賽。盡管ZNF 93能夠很好的關(guān)閉許多L1PA元件，但最近演化出的一種L1PA卻能逃脫ZNF 93的控制。這種L1PA拋棄了含有ZNF93結(jié)合位點(diǎn)的一段DNA。研究人員在缺乏ZNF93的小鼠細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)上這段序列后轉(zhuǎn)座子可以更好地跳躍?？梢?，盡管這段序列對(duì)跳躍活性有幫助，但轉(zhuǎn)座子為了逃避ZNF93的控制，還是忍痛割愛將它舍棄。

“這項(xiàng)研究展示了分子進(jìn)化中永不停歇的競(jìng)爭(zhēng)，”Salama說。“KRAB鋅指蛋白在哺乳動(dòng)物基因組中快速擴(kuò)張和進(jìn)化，這是很罕見的。造成這一現(xiàn)象的原因是，轉(zhuǎn)座子元件在不停演化以逃避這些蛋白的抑制。”