成千上萬(wàn)的短RNA分子與不同基因序列作為保安識(shí)別和沉默試圖入侵基因組,如DNA插入由病毒或寄生蟲(chóng)元素稱為轉(zhuǎn)座子。

這些不同,小RNA分子,稱為Piwi-interacting RNA(piRNAs)是由各種動(dòng)物,昆蟲(chóng)和蠕蟲(chóng)哺乳動(dòng)物比如老鼠和人類。在2月2日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一項(xiàng)新研究,芝加哥大學(xué)的研究人員描述piRNAs找到外國(guó)基因序列的沉默。他們也表明內(nèi)生或“自我”基因組中基因的歸宿認(rèn)為自己以避免這個(gè)額外的審查。

“幾乎每一個(gè)動(dòng)物有這些小分子rna,并使用它們作為指導(dǎo)尋找目標(biāo)序列和沉默,“Heng-Chi Lee說(shuō),博士,分子遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)助理教授UChicago和新研究的資深作者。“直到現(xiàn)在,是相當(dāng)神秘的功能是什么,以及為什么有那么多的不同的基因序列。”

一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的嫌疑人

作為信使RNA進(jìn)行指令編碼的DNA產(chǎn)生蛋白質(zhì)在體內(nèi)執(zhí)行必要的功能。在新的研究中,李和他的同事研究了piRNAs細(xì)胞的生殖系統(tǒng)產(chǎn)生的線蟲(chóng),秀麗隱桿線蟲(chóng),一個(gè)經(jīng)典的模式生物研究科學(xué)家理解基本的生物過(guò)程。

Piwi-interacting RNA是一種小分子RNA,與所謂的Argonaute機(jī)械在尋找目標(biāo)細(xì)胞RNA和關(guān)閉它。RNA是建立具有相同的核苷酸鏈鏡像DNA序列,用同樣的熟悉,C、G,U刻字。一些小型rna需要確切地匹配目標(biāo)序列識(shí)別他們,像一個(gè)保安尋找一個(gè)特定的人。其他小分子rna可以用部分匹配標(biāo)記基因,更像尋找嫌疑人基于一個(gè)通用描述。

科學(xué)家還沒(méi)有確定如何piRNAs找到他們的目標(biāo),部分原因是有很多的。李的線蟲(chóng)的研究,例如,有15000多個(gè)piRNAs與不同的核苷酸序列。他想知道,為什么有那么多又有什么用呢?

“這真是不清楚為什么細(xì)胞產(chǎn)生很多piRNAs。他們是如此不同,很難知道哪個(gè)目標(biāo)rna識(shí)別。太復(fù)雜的關(guān)系,”李說(shuō)。

當(dāng)匹威承認(rèn)他們的目標(biāo),他們招聘一系列更小的二級(jí)rna序列對(duì)應(yīng)目標(biāo)站點(diǎn),標(biāo)記它為關(guān)注的一種方式。知道了這一點(diǎn),李和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種合成piRNA序列不存在在它創(chuàng)建的蠕蟲(chóng)和跟蹤標(biāo)記。然后,通過(guò)檢查序列合成piRNA明顯不同,他們可以追溯出它找到一個(gè)匹配的邏輯。

事實(shí)證明piRNAs需要一個(gè)相當(dāng)密切匹配序列的一部分,但他們可以容忍一些不匹配。它似乎也有很多未配對(duì)匹威蠕蟲(chóng),因?yàn)樗o了他們一個(gè)工具箱的許多可能的序列組合,他們可能需要確定外國(guó)rna和關(guān)閉它們。而不是保安尋找一個(gè)特定的人,或那些看起來(lái)是這樣的人,他們有一個(gè)整體??數(shù)據(jù)庫(kù)可能的嫌疑人可以追蹤。

避免假陽(yáng)性

但是他們?nèi)绾伪苊饧訇?yáng)性,或錯(cuò)誤地識(shí)別內(nèi)源性“自我”基因?qū)儆谀抢?為了找到答案,李和他的同事設(shè)計(jì)更多piRNAs能認(rèn)出幾個(gè)著名的基因?qū)儆诰€蟲(chóng)基因組。但是這組piRNAs沒(méi)有沉默或影響內(nèi)源性基因的功能,這意味著他們?cè)谀撤N程度上抵抗。

研究人員還發(fā)現(xiàn),許多內(nèi)源性基因,有額外的重復(fù)部分和T核苷酸的他們標(biāo)記為“自我”,而不是外國(guó)。這個(gè)許可信號(hào)作為憑據(jù)來(lái)識(shí)別基因,護(hù)照給piRNA系統(tǒng)。

“我們證明了內(nèi)源性基因能夠抵抗piRNA系統(tǒng)許可制度,這是很酷的,”李說(shuō)。“他們所要做的是馬克自己的‘自我’的信號(hào)。”

這項(xiàng)研究揭示了一個(gè)基本機(jī)制,動(dòng)物會(huì)影響生育。先前的研究已經(jīng)表明,如果匹威發(fā)展的基因突變,piRNA系統(tǒng)故障。然后,如果病毒或轉(zhuǎn)座子將外源DNA元素注入到生殖細(xì)胞系,或生殖細(xì)胞產(chǎn)生卵子和精子,piRNAs沒(méi)有檢測(cè)和沉默。這些未被發(fā)現(xiàn)的變化會(huì)導(dǎo)致不孕和生殖系統(tǒng)中的其他問(wèn)題。

一個(gè)實(shí)際的障礙,多年來(lái)一直鬧鬼的生物學(xué)家

研究還解決了技術(shù)問(wèn)題,阻礙了秀麗隱桿線蟲(chóng)科學(xué)家?guī)资炅?。?dāng)研究者想研究一個(gè)特定的基因,他們經(jīng)常進(jìn)行細(xì)微修改所以產(chǎn)生熒光的特殊蛋白質(zhì)標(biāo)記可以附加到他們感興趣的基因產(chǎn)生的蛋白質(zhì)。這個(gè)作品在大多數(shù)類型的細(xì)胞,但在種系,piRNA系統(tǒng)點(diǎn)的基因變化和關(guān)閉了生產(chǎn)熒光標(biāo)記。

李和他的團(tuán)隊(duì)展示了科學(xué)家可以防止這種情況的發(fā)生。通過(guò)編輯的網(wǎng)站被piRNAs就夠了,他們找不到他們了,但基因仍將功能相同的方式。研究人員也可以插入同一self-licensing信號(hào)非編碼的DNA片段,使變化似乎屬于內(nèi)生基因。這些技術(shù)將有助于科學(xué)家們使用CRISPR-Cas9生殖細(xì)胞系基因編輯系統(tǒng)來(lái)跟蹤變化。

“當(dāng)我第一次提出這個(gè)的一個(gè)會(huì)議上,我的演講后我被喜歡30科學(xué)家尋求幫助,這樣他們就可以使用我們的算法在生殖細(xì)胞研究自己喜歡的目標(biāo),”李說(shuō)。“它解決了一個(gè)非常實(shí)際的障礙鬧鬼的秀麗隱桿線蟲(chóng)生物學(xué)家在過(guò)去的20年。”