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跳跃基因揭示了生命可能出现的进展

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-09-29浏览次数:1202

以前未被认识的基因组中的相互作用可能是数十亿年前出现高级生命的驱动力之一。

这一发现始于反转录转座子的好奇心,反转录转座子被称为“跳跃基因”,它将自己的DNA序列复制并粘贴在基因组中并迅速繁殖。近一半的人类基因组由反转录转座子组成,但细菌很少。

伊利诺伊大学物理学院的天鹅林资源和卡尔R.沃伊基因组生物学研究所的Nigel Goldenfeld和伊利诺伊州加利福尼亚大学河滨分校前物理学教授Thomas Kuhlman想知道为什么会这样。

“我们认为一个非常简单的尝试是从基因组中取一个(逆转座子)并将其放入细菌中,看看会发生什么,”卡尔曼说。 “结果证明它非常有趣。”

他们的研究发表在“美国国家科学院院刊”上,更多地探讨了数十亿年前可能出现的先进生活史 - 并有助于确定其他星球上生命的可能性和本质。

在解释生命的过程中,研究人员首先遇到死亡 - 细菌死亡,即。当他们将反转录转座子放入细菌中时,结果是致命的。

“当他们跳起来复制自己时,他们会跳进细菌需要存活的基因,”库尔曼说。 “这对他们来说非常致命。”

当反转录转座子在基因组中复制时,它们首先在DNA中找到一个点并将其切开。为了生存,有机体必须修复切割。一些细菌,如大肠杆菌,只有一种方法可以做到这一点,通常最终会去除新的反转录转座子。然而,高级生物(真核生物)也具有称为非同源末端关节的额外“技能”,或NHEJ,其为它们提供修复DNA切割的另一种方式。

Goldenfeld和Kuhlman决定看看如果他们让细菌做NHEJ会发生什么,相信它会帮助他们忍受DNA损伤。但它只会使反转录转座子在增加时更好,造成比以前更多的伤害。

“它完全杀死了一切,”库尔曼说。 “当时,我以为我做错了什么。”

他们意识到NHEJ和反转录转座子之间的相互作用可能比他们之前想象的更重要。

真核生物通常在其基因组中具有许多反转录转座子,以及许多其他“垃圾”DNA,它们没有完全理解的功能。在基因组中,NHEJ和反转录转座子之间必须存在持续的相互作用,因为NHEJ试图控制反转录转座子的繁殖率。这使得生物体在其基因组中具有更大的能量,并且“垃圾”DNA的存在是重要的。

“随着你的DNA变得越来越垃圾,你可以开始拍摄碎片并以不同的方式将它们组合在一起,比那里不存在的所有垃圾更多,”库尔曼说。

这些条件 - “垃圾”DNA的积累,反转录转座子的存在及其与NHEJ的相互作用 - 使基因组更加复杂。这是一种将先进生物(如人类)与简单生物(如细菌)区分开来的特征。

先进的生物也可以通过使用它们的接头来管理它们的基因组,这种分子机器可以通过“垃圾”DNA进行分类,并将基因重建为正常状态。

剪接变体的某些部分类似于第II组内含子,即细菌反转录转座子的原始形式。内含子也存在于真核生物中,并且从第II组内含子和连接进化而来。 Goldfield表示,这引发了一个进化问题。

“首先,接头或第二个内含子是什么?显然是第二个内含子,“他说。 “那么你可以问:真核细胞是否首先得到那些II组内含子以便在早期建立剪接?”

这项研究表明,第二组内含子,接头中内含子的祖先和真核生物中的反转录转座子以某种方式侵入早期的真核细胞。然后,他们与NHEJ的互动产生了一种“选择性压力”,有助于引起拼接的出现,这有助于数十亿年前的生命发展。

通过使真核生物能够利用其DNA做更多的事情,接头可以帮助生命进步。例如,虽然人类和秀丽隐杆线虫的基因数量大致相同,但人类可以利用这些基因做更多的事情。

“这种非常简单的蠕虫与人类之间没有太大区别,这显然很疯狂,”Goldenfeld说。 “正在发生的事情是,人类可以采用这些基因,并以多种组合混合和匹配它们,以完成比线虫更复杂的功能。”

NHEJ和反转录转座子不仅有助于接头的生产;这项研究表明它们也可能有助于染色体的产生 - 含有遗传物质的DNA分子 - 更先进。 NHEJ与反转录转座子之间的相互作用可能有助于从圆形染色体(通常是细菌)过渡到线性染色体(更先进的生物体),这是高级生命的另一个指标。

Goldenfeld说,在研究之前,许多研究人员研究了反转录转座子的作用,但NHEJ的重要性尚未得到充分认识。这项研究证明它在数十亿年前在真核生物中发挥了作用,并成为我们今天所知的先进生物。

“这当然不是唯一发生的事情,”Goldenfeld说。 “但如果没有发生,很难看出你的生活会如何变得复杂。”

该研究为Goldenfield美国宇航局天体生物学研究所普通生物学研究所提出的更大问题做出了贡献 - 这些问题包括:什么必须使生命进步?

更详细地回答这个问题可以帮助科学家确定在其他星球上生命的可能性。

“如果生命存在于其他星球上,人们可能会认为它是一种微生物。它能过渡到复杂的生命吗?”戈德菲尔德说。 “这并不是说你不可避免地要获得先进的生活,因为必须要发生许多事情。”

本研究的物理学观点有助于量化这些理论问题。这种量化来自于在实验室中简单测量并使用这些测量来制作进化模型,如本研究中所做的那样。

这样,实验室中的基本测量成为过去的时间机器。

“我们正处于实验室进化过程中,”Goldenfeld说。 “我们正在研究数十亿年前不可避免会发生的演化过程。”