一项遗传学新研究揭示了人类基因组中隐藏着“暗物质”

正如有一种神秘的暗物质占了我们宇宙的85%，人类基因组中有一个“黑暗”的部分也困扰了科学家们几十年。一项于2020年3月9日发表在《基因组研究》杂志上的研究发现，果蝇基因组的新部分迄今为止一直隐藏在这些黑暗、寂静的区域里。

这篇题为《果蝇遗传参考小组中的基因表达网络》的合作论文是克莱姆森大学遗传学家特鲁迪麦凯和罗伯特安霍尔特多年研究的成果。他们开创性的发现可能会极大地促进科学对许多遗传疾病的理解。

“黑暗”部分指的是大约98%的基因组似乎没有任何明显的功能。只有2%的人类基因组编码蛋白质，蛋白质是我们身体的组成部分，是化学反应的催化剂，使我们得以茁壮成长。自上世纪70年代基因测序技术首次发展以来，科学家们就一直对这一概念感到困惑。当时，基因测序技术揭示了基因组编码与非编码区域的比例。

基因传统上被认为是转录成RNA，随后被翻译成蛋白质，这是由分子生物学的中心法则所决定的。然而，基因组中RNA转录组的整个集合，即转录组，包含了除编码蛋白质外，似乎还有其他功能的RNA种类。有人提出非编码区可能包含调控基因表达和染色体结构的调控区域，但这些假设以过去的诊断技术很难研究。

“直到最近几年，随着整个转录组测序的完成，我们才意识到实际上有多少RNA种类存在。因此，这就提出了一个全新的问题：如果它们不制造蛋白质——细胞的主要工作——那么它们在做什么呢？”

对于麦凯和安霍尔特（同样来自CHG）来说，这些人类遗传学问题可以通过研究常见的果蝇——黑腹果蝇来探索。由于许多基因在人类和果蝇之间是相似的，通过分析果蝇基因组所揭示的发现可以推断出人类的健康和疾病。

麦凯和安霍尔特的前博士后研究人员Logan Everett和Wen Huang领导了这项最新的研究，他们在果蝇中发现了4500多个以前从未发现过的新转录本。研究人员将这4500个转录本称为“新的转录区域”，它们主要由非编码RNA组成，这些RNA似乎参与了基因网络的调控，可能导致遗传疾病。

“已知大多数致病突变都发生在基因组的蛋白质编码部分，即外显子组，但是当您仅对外显子组进行测序时，你会错过基因组其他部分中与疾病相关的因素，例如 这些长链非编码RNA。”克莱姆森大学遗传与生物化学杰出教授安霍尔特说，“现在，全基因组测序的成本已大大降低，我们有能力对整个基因组进行快速测序，我们可以查看传统上认为不重要的基因组元素，并可以在其中识别出潜在的致病因素，以前从未见过的元素。”

通过研究数百种近亲繁殖的果蝇，每一种果蝇的个体基因几乎完全相同，研究人员发现，许多新的长链非编码RNA调节异染色质的基因。异染色质是基因组中紧密排列的一种DNA，通常被认为是“沉默的”。由于异染色质是如此的浓缩，它被认为是无法接近的分子机制转录成RNA的DNA。因此，任何包含在异染色质中的基因都被隔离、沉默和不表达，但它们真的是这样吗?

麦凯说:“我们认为，对异染色质基因表达的抑制是有一定漏洞的，而且这些基因是如何被抑制的也存在变异。”“我们发现的RNA网络可能与调节染色质状态有关。”

安霍尔特补充说:“这些非编码RNA可能在打开基因组的这类区域来表达基因方面发挥了重要作用，这取决于不同个体的遗传背景。”

这项研究的另一个结果是“跳跃基因”的表达，即转座子，它是能够在基因组周围移动的DNA片段。当转座子剪切和粘贴到其他基因时，它们可能致使基因组不稳定，从而导致癌症、神经退行性疾病和其他疾病。

这些转座子也位于异染色质中，但对这些转座子转录本的鉴定表明，它们实际上是被表达的，尽管它们位于通常沉默的基因组部分。研究人员在这4500个“新转录区域”中发现了转座因子的调节因子，这或许证明了对治疗由转座子干扰引起的疾病很有用。

总的来说，这项研究有助于更好地理解基因调控网络对人类健康和 疾病的影响。

安霍尔特说:“这些观察结果为生物学开辟了一个全新的领域，这一领域还没有被探索过，而且在未来的后续研究中具有无限的潜力。”

该团队自己的后续研究是使用CRISPR基因编辑技术来揭示当本研究揭示的基因被改变或从果蝇基因组中删除时会发生什么。如果通过敲除一个基因而改变其他基因的表达，就可以得出关于删除基因在疾病的发展或进展中所起作用的重要结论。

原文来源：https://phys.org/news/2020-03-genetics-dark-portion-genome.html