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跳躍基因揭示了生命可能出現的進展

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-09-29瀏覽次數:1202

以前未被認識的基因組中的相互作用可能是數十億年前出現高級生命的驅動力之一。

這一發現始于反轉錄轉座子的好奇心,反轉錄轉座子被稱為“跳躍基因”,它將自己的DNA序列復制并粘貼在基因組中并迅速繁殖。近一半的人類基因組由反轉錄轉座子組成,但細菌很少。

伊利諾伊大學物理學院的天鵝林資源和卡爾R.沃伊基因組生物學研究所的Nigel Goldenfeld和伊利諾伊州加利福尼亞大學河濱分校前物理學教授Thomas Kuhlman想知道為什么會這樣。

“我們認為一個非常簡單的嘗試是從基因組中取一個(逆轉座子)并將其放入細菌中,看看會發生什么,”卡爾曼說。 “結果證明它非常有趣。”

他們的研究發表在“美國國家科學院院刊”上,更多地探討了數十億年前可能出現的先進生活史 - 并有助于確定其他星球上生命的可能性和本質。

在解釋生命的過程中,研究人員首先遇到死亡 - 細菌死亡,即。當他們將反轉錄轉座子放入細菌中時,結果是致命的。

“當他們跳起來復制自己時,他們會跳進細菌需要存活的基因,”庫爾曼說。 “這對他們來說非常致命。”

當反轉錄轉座子在基因組中復制時,它們首先在DNA中找到一個點并將其切開。為了生存,有機體必須修復切割。一些細菌,如大腸桿菌,只有一種方法可以做到這一點,通常最終會去除新的反轉錄轉座子。然而,高級生物(真核生物)也具有稱為非同源末端關節的額外“技能”,或NHEJ,其為它們提供修復DNA切割的另一種方式。

Goldenfeld和Kuhlman決定看看如果他們讓細菌做NHEJ會發生什么,相信它會幫助他們忍受DNA損傷。但它只會使反轉錄轉座子在增加時更好,造成比以前更多的傷害。

“它完全殺死了一切,”庫爾曼說。 “當時,我以為我做錯了什么。”

他們意識到NHEJ和反轉錄轉座子之間的相互作用可能比他們之前想象的更重要。

真核生物通常在其基因組中具有許多反轉錄轉座子,以及許多其他“垃圾”DNA,它們沒有完全理解的功能。在基因組中,NHEJ和反轉錄轉座子之間必須存在持續的相互作用,因為NHEJ試圖控制反轉錄轉座子的繁殖率。這使得生物體在其基因組中具有更大的能量,并且“垃圾”DNA的存在是重要的。

“隨著你的DNA變得越來越垃圾,你可以開始拍攝碎片并以不同的方式將它們組合在一起,比那里不存在的所有垃圾更多,”庫爾曼說。

這些條件 - “垃圾”DNA的積累,反轉錄轉座子的存在及其與NHEJ的相互作用 - 使基因組更加復雜。這是一種將先進生物(如人類)與簡單生物(如細菌)區分開來的特征。

先進的生物也可以通過使用它們的接頭來管理它們的基因組,這種分子機器可以通過“垃圾”DNA進行分類,并將基因重建為正常狀態。

剪接變體的某些部分類似于第II組內含子,即細菌反轉錄轉座子的原始形式。內含子也存在于真核生物中,并且從第II組內含子和連接進化而來。 Goldfield表示,這引發了一個進化問題。

“首先,接頭或第二個內含子是什么?顯然是第二個內含子,“他說。 “那么你可以問:真核細胞是否首先得到那些II組內含子以便在早期建立剪接?”

這項研究表明,第二組內含子,接頭中內含子的祖先和真核生物中的反轉錄轉座子以某種方式侵入早期的真核細胞。然后,他們與NHEJ的互動產生了一種“選擇性壓力”,有助于引起拼接的出現,這有助于數十億年前的生命發展。

通過使真核生物能夠利用其DNA做更多的事情,接頭可以幫助生命進步。例如,雖然人類和秀麗隱桿線蟲的基因數量大致相同,但人類可以利用這些基因做更多的事情。

“這種非常簡單的蠕蟲與人類之間沒有太大區別,這顯然很瘋狂,”Goldenfeld說。 “正在發生的事情是,人類可以采用這些基因,并以多種組合混合和匹配它們,以完成比線蟲更復雜的功能。”

NHEJ和反轉錄轉座子不僅有助于接頭的生產;這項研究表明它們也可能有助于染色體的產生 - 含有遺傳物質的DNA分子 - 更先進。 NHEJ與反轉錄轉座子之間的相互作用可能有助于從圓形染色體(通常是細菌)過渡到線性染色體(更先進的生物體),這是高級生命的另一個指標。

Goldenfeld說,在研究之前,許多研究人員研究了反轉錄轉座子的作用,但NHEJ的重要性尚未得到充分認識。這項研究證明它在數十億年前在真核生物中發揮了作用,并成為我們今天所知的先進生物。

“這當然不是唯一發生的事情,”Goldenfeld說。 “但如果沒有發生,很難看出你的生活會如何變得復雜。”

該研究為Goldenfield美國宇航局天體生物學研究所普通生物學研究所提出的更大問題做出了貢獻 - 這些問題包括:什么必須使生命進步?

更詳細地回答這個問題可以幫助科學家確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,人們可能會認為它是一種微生物。它能過渡到復雜的生命嗎?”戈德菲爾德說。 “這并不是說你不可避免地要獲得先進的生活,因為必須要發生許多事情。”

本研究的物理學觀點有助于量化這些理論問題。這種量化來自于在實驗室中簡單測量并使用這些測量來制作進化模型,如本研究中所做的那樣。

這樣,實驗室中的基本測量成為過去的時間機器。

“我們正處于實驗室進化過程中,”Goldenfeld說。 “我們正在研究數十億年前不可避免會發生的演化過程。”

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