身體中的每個細胞都具有相同的DNA和基因，因此細胞的特性和功能取決于哪些基因被打開。這就是為什么理解增強子，調(diào)節(jié)特定基因表達的非編碼DNA的短片段至關(guān)重要的原因。

增強子與其控制的基因沒有一對一的關(guān)系。相反，有許多增強劑而不是基因，它們的關(guān)系尚不清楚。許多增強子是否會調(diào)節(jié)給定基因在給定組織中的表達，從而提供冗余?能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)的研究人員在最近的兩項研究中調(diào)查了這個問題，以及增強劑對發(fā)展的總體重要性。

研究人員回答了一個關(guān)于增強劑作用的長期問題。通過更好地將生物體的基因組補體與其表達的特征聯(lián)系起來，它們的工作提供了新的見解，進一步推動了系統(tǒng)生物學(xué)不斷發(fā)展的領(lǐng)域，旨在獲得對生命系統(tǒng)的預(yù)測性理解。

完美保護

在他們發(fā)表在Cell上的新研究中，研究小組研究了含有“超保守元素”的增強子，其長度至少為200個堿基對，在人類，小鼠和大鼠的基因組中100%相同。自從這些哺乳動物共同擁有共同的祖先以來，超保守的元素已經(jīng)完全保存了8000多萬年。

此前，該小組個別刪除了小鼠基因組中的四個超保守腦增強子。所有四種小鼠都是活的和可育的，這使基因組學(xué)和進化生物學(xué)研究團體感到震驚，他們認為這些增強子對生命至關(guān)重要，因為它們已經(jīng)完全保存。

“在我們的后續(xù)研究中，我們想深入挖掘測試兩種可能的解釋，”伯克利實驗室環(huán)境基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)部的研究科學(xué)家Diane Dickel說。“首先，也許這些增強子序列之間存在一些冗余，失去其中兩個將導(dǎo)致小鼠無法生存或不育。其次，也許老鼠確實有些問題，但它更微妙。”

在這項新研究中，研究小組利用基因編輯工具CRISPR-CAS9進一步研究了Arx基因附近的增強子，這些增強子在缺陷時會導(dǎo)致小鼠和人類的神經(jīng)和性發(fā)育障礙。“我們專注于Arx，因為它附近有非常多的非常長的超保守站點，”Dickel說，他與同一部門的高級科學(xué)家Len Pennacchio和Axel Visel共同領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。

具體而言，他們淘汰了Arx的四個腦增強劑，它們在前腦的頂部或底部成對活躍。當(dāng)這些增強子被單獨刪除時，所有小鼠都是活的并且是可育的 - 證實超保守的增強子對于給定一代中的生命不是必需的。當(dāng)它們成對地被刪除并具有相似的活性時，小鼠仍然存活且可育 - 排除冗余作為敲除個體超保守增強子時沒有主要缺陷的主要解釋。

但是有更微妙的腦缺陷嗎?為了回答這個問題，研究人員與加州大學(xué)舊金山分校的神經(jīng)生物學(xué)家John Rubenstein合作，他提供了深入的神經(jīng)學(xué)表型分析。

在僅有一個增強子缺失的四個病例中的三個中，他們發(fā)現(xiàn)異常 - 無論是整體生長還是大腦發(fā)育。在一種情況下，小鼠在海馬中具有嚴重的結(jié)構(gòu)缺陷。在另一種情況下，小鼠具有較少的膽堿能神經(jīng)元。

“這些小鼠腦部的變化讓人聯(lián)想起癲癇癥或癡呆癥患者的腦部變化，”Dickel說。“雖然我們還不知道這些老鼠是否會受到這些問題的影響，但我們發(fā)現(xiàn)的生理變化很可能是在野外進行選擇，這就是為什么你在這些地方保持高水平的保護。”

保護冗余

雖然人類和小鼠基因組中只有幾百個超保守位點，但也有大約100,000個其他保守性較低的增強子。在缺失單個超保守增強子時觀察到的缺陷提出了一個問題，即缺失較少保守的增強子通常會導(dǎo)致類似的問題。缺陷是例外還是規(guī)則?這個問題在博士后研究員Marco Osterwalder領(lǐng)導(dǎo)的第二項研究中進行了調(diào)查，研究重點是四肢增強劑。肢體增強劑是目標(biāo)，因為肢體易于評估，不像神經(jīng)學(xué)表型。

正如今天在“自然”雜志報道的那樣，研究小組刪除了靠近肢體發(fā)育基因的十個肢體增強劑。他們預(yù)計會看到一些異?，F(xiàn)象，但是所有10只小鼠都有完全正常的四肢。

然而，該團隊還觀察到一些具有兩種增強子的基因，這些增強子在肢體發(fā)育過程中似乎同時具有活性。當(dāng)團隊淘汰具有類似活動的這類肢體增強劑時，他們看到了諸如額外數(shù)字或骨長度差異的特征 - 表明這些增強子有冗余的功能。“這就像飛行員和副駕駛員在駕駛艙內(nèi)有多余的控制桿一樣，”Visel解釋道。“任何人都可以控制飛機，但如果你擺脫兩個控制桿，你就會遇到麻煩。”

為了確定是否有這樣的監(jiān)管備份系統(tǒng)，該團隊計算分析了來自許多不同組織的基因組數(shù)據(jù)集。他們確定控制胚胎發(fā)育中心過程的基因通常配備了一組可能多余的增強子。在超過1000個極端情況下，他們發(fā)現(xiàn)了五個或更多具有相似活動模式的增強子組來控制同一基因。

盡管存在冗余，但這些增強子在進化上是保守的，這使得科學(xué)家們猜測，破壞這些增強子可能仍會導(dǎo)致野外適應(yīng)性的某種程度的降低，即使它很小，也不能在實驗室中輕易檢測到。

“我們并不是說這些增強劑完全是多余的，因為這一個或另一個并不重要，而是有一種機制可以防止對特定一代的有害影響，”Pennacchio總結(jié)道。“選擇發(fā)生在很多代人身上。”

總之，這些研究表明增強子冗余具有不同的重要性。“基因組是一個很大的地方，”迪克爾說。“很難將基因組中的每個基因座都整合到一個特定的基因調(diào)控模型中。一些基因座比其他基因座具有更多的冗余。”

更廣泛的含義

諸如此類的復(fù)雜問題由生物系統(tǒng)科學(xué)解決，其中這些結(jié)果可用于在更大的背景下理解遺傳擾動對遺傳和表達特征的影響。

最終，該團隊對增強子突變是否會導(dǎo)致人類疾病感興趣。“現(xiàn)在全人類基因組測序已成為現(xiàn)實，我們正專注于研究人類突變?nèi)绾斡绊戵w內(nèi)的健康和發(fā)育，”Pennacchio說。