浙大陳軍、彭金榮課題組《自然》撰文,破解生命應對基因無義突變之謎

遺傳“中介”通過招募促進同源基因表達

發布時間:2019-04-04來源:浙大新聞辦作者:柯溢能 盧紹慶3512

生命中的遺傳物質脫氧核糖核酸(DNA)時時刻刻都會受到損傷的威脅,每個細胞的基因組DNA每天會遇到約10000次的損傷。這些損傷導致的基因變異會使編碼蛋白的基因失去功能,進而影響生命的意義。為了存活,生命便進化出來許多應對基因突變的辦法,其中之一就是“遺傳補償效應”。然而,長期以來科學界對遺傳補償效應是怎樣起作用的分子機制卻知之甚少。

北京時間4月4日,國際頂級學術期刊《自然》(Nature)在線報道了浙江大學陳軍教授和彭金榮教授課題組在遺傳補償效應分子機制方面的重要研究進展。課題組首次揭示基因補償效應是由攜帶提前終止密碼子的信使核糖核酸(mRNA)所激起,由無義突變mRNA降解途徑(NMD)中的上游移碼蛋白3a(Upf3a)參與。同時,還揭示同源序列核酸是上調補償效應基因的必要條件,并進一步研究證明補償效應基因轉錄水平的增加是由于補償基因啟動子區域組蛋白的表觀遺傳學修飾所引起的。該研究為疾病的治療提供了新思路。

無義突變mRNA與Upf3a/COMPASS復合物共同激活遺傳補償效應

這項研究的第一作者為浙江大學生命科學學院博士后馬志鵬,通訊作者為浙江大學生命科學學院陳軍教授和浙江大學動物科學學院彭金榮教授。

無義突變和同源序列是遺傳補償效應發生的兩個必要條件

DNA的損傷如果導致變異的基因功能非常重要,機體又不能采取措施,生命將不能存活導致失去意義。遺傳補償效應就是指在某一基因發生突變徹底失去功能后,機體采用相應機制,提高其他基因的表達來代替這一基因的功能。

這就好像一個工廠的崗位空缺出來,中介需要找到其他人員來完成相關工作。如果這是個關鍵崗位卻招不到合適的人,那么這家工廠可能面臨著倒閉的危機。

一般而言,基因因其差異化而存在,人們敲掉其中一個時,功能會出現一定的異樣。但是在很多無義突變中,敲掉基因后并沒有表型,也就是說沒有出現異常,而敲低時卻出現了表型。比如一個控制羽毛色澤的基因,敲掉后因依舊能發育出絢麗的羽毛,但是降低它卻讓羽毛變得暗淡無光。直到遺傳補償效應提出后,科研人員對這一現象進行了概括。因此,人們把敲除基因沒有表型,但敲低卻出現表型,作為鑒定基因具有遺傳補償效應的標志。

生物學的中心法則是遺傳信息從DNA轉錄到mRNA,最后通過翻譯形成蛋白質。無義突變是指從DNA中轉錄出來的mRNA由于突變形成提前終止密碼,進而提前結束了蛋白質合成。

如果繼續進行翻譯,那么會形成一個比正常有功能蛋白短一些的蛋白,通常這樣的蛋白不僅沒有功能而且還會有不好的副作用。這時候細胞自身會通過監控途徑降解這樣的無義突變mRNA。

這種無義突變mRNA介導的降解途徑叫“NMD”途徑(Nonsense mRNA Mediated Decay pathway),是一種mRNA質量監控機制,就好比工廠在生產產品的過程中的質檢,當產品達不到要求時,會自行銷毀次品,不然會帶來更嚴重的后果。NMD介導的降解過程中,與無義突變mRNA結合的EJC蛋白復合體招募上游移碼蛋白3b(Upf3b)是降解次品的關鍵步驟。而Upf3b的雙胞胎“兄弟”Upf3a同樣可以與EJC蛋白復合體結合卻不參與降解反應,但科研人員對于Upf3a存在的生理意義不得而知。

2015年,彭金榮實驗室發現,一個影響斑馬魚肝臟發育的鈣調蛋白酶(Capn3a),用不同方法敲低這一基因時會出現小肝臟表型,而敲除遺傳突變體肝臟發育正常。“敲除突變體長出正常的肝臟,說明可能是遺傳補償效應在起作用。”馬志鵬推測說。

Capn3a突變體具有基因補償效應

那么怎樣的突變,才能引起遺傳補償效應呢?又是通過哪些基因的表達來彌補突變基因的功能呢?

為了回答這兩個問題,陳軍課題組科研人員繼續在斑馬魚開展大量的對比實驗,通過構建鈣調蛋白酶基因的不同突變體,發現只有無義突變才能激活遺傳補償效應,并且是通過提高與變異基因序列同源的家族基因表達來進行的。非常有意思的是,他們通過向斑馬魚體內導入外源DNA構建轉基因,同樣也能激活體內遺傳補償效應,即外源導入的轉基因只要帶有無義突變和同源序列,就可以提高體內具有同源序列的基因表達。這些實驗證明無義突變和同源序列是遺傳補償效應的兩個先決條件。

無義突變和同源序列是激活遺傳補償效應的兩個必要條件

Upf3a分子是遺傳補償效應發生的“中介”

那么下一個問題是無義突變mRNA通過怎樣的“中介”來提高它的同源基因表達呢?基于已有的NMD途徑,陳軍課題組另辟蹊徑,把Upf3a敲除,Capn3a突變體肝臟就變小了,補償的同源基因表達也下降,遺傳補償效應消失。

這個實驗證明了無義突變產生的終止密碼子,并對整個機體表現出像遠古時期天地崩塌一樣的災難。與神話女媧補天如出一轍的是,這時候Upf3a這個“中介”分子,通過找到與信使mRNA序列同源的基因,改變他們的表達來彌補突變基因的功能。這個過程就好像冶煉五色石達到與天空相似的功能,最后達到洪水退去、蒼天平復的效果。

因此,陳軍課題組得出結論,機體應對無義突變,其中Upf3a是誘導遺傳補償效應的重要“中介”。

 “中介”如何具有“女媧補天”的能力?

隨后,課題組進一步揭示“中介”Upf3a通過招募復合體(COMPASS)將核小體中組蛋白H3第4位賴氨酸進行甲基化,從而打開染色體的結構促進基因表達,不斷擴充具有相似功能的數量。

陳軍課題組根據研究結果,提出遺傳補償效應的分子機制模型:轉錄后被識別的無義突變mRNA可以與Upf3b結合,也可以與Upf3a結合。如果與Upf3b結合,它將被NMD途徑降解;如果它與Upf3a結合,Upf3a將招募COMPASS復合體,無義突變mRNA利用核酸序列同源性,將Upf3a/COMPASS帶到其家族同源基因的基因組DNA處,改變其組蛋白修飾,促進同源基因表達,彌補本身的功能損失。

遺傳補償效應分子機制的發現具有重要實踐意義

遺傳補償效應并不是斑馬魚獨有的現象,在小鼠、擬南芥等模式生物鐘也存在。“我們所發現的分子機制不僅具有重要的理論意義,而且對于揭示基因功能研究以及疾病治療具有重要的價值。”陳軍介紹,“遺傳補償效應”對機體存活具有重要意義,但對于基因功能研究是一個巨大的障礙,比如斑馬魚超過80%的基因被敲除后沒有表型,所以很難研究這些基因的功能,這其中大部分是由于“遺傳補償效應”導致。未來想要研究這些基因,就可以利用陳軍課題組揭示的分子機制,敲低“中介”蛋白Upf3a,阻斷遺傳補償效應開展基因研究。

基因組測序結果顯示,在正常人群的基因組中存在著大量攜帶有純合無義突變的基因,其中有些基因的錯義突變會引起嚴重的人類遺傳疾病,例如帕金森、白血病、脊柱側彎等。陳軍課題組推測這可能是遺傳補償效應導致了這些疾病,他表示,針對錯義突變引起的人類遺傳疾病,可以通過敲除此基因,或轉入帶有無義突變的同源DNA,激活人體內“遺傳補償效應”治療疾病。

《自然》雜志匿名評審專家在評審時表示,這是一個具有潛在廣泛意義的非凡故事。例如,它澄清了許多敲除研究的解釋。它為一個有趣的現象提供了一個機制基礎,該機制賦予了細胞健壯性。正如作者指出的,引入無義突變可能是治療存在補償基因的遺傳病的一種臨床途徑。

參與這項研究的還有朱佩佩、施回、郭李偉、張慶河、陳亞男、陳書銘、張哲。研究成果受到科技部重大基礎研發項目、國家自然科學基金資助。

(文  柯溢能 / 攝影 盧紹慶  圖片由課題組提供)