由芝加哥大學(xué)(UChicago)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組在自然生態(tài)學(xué)和進(jìn)化論上發(fā)表了一項研究(“ 在Oryza中從頭開始快速進(jìn)化蛋白質(zhì)多樣性 ”)， 該研究挑戰(zhàn)了關(guān)于新蛋白質(zhì)如何進(jìn)化的經(jīng)典假設(shè)之一。研究表明，DNA的隨機非編碼區(qū)段可以快速進(jìn)化以產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)?？茖W(xué)家表示，這些從頭開始或從頭開始的基因提供了一種新的，未開發(fā)的方式，蛋白質(zhì)可以進(jìn)化并促進(jìn)生物多樣性。

“通過大基因組比較，我們證明非編碼序列可以演變成完全新穎的蛋白質(zhì)。這是一個巨大的發(fā)現(xiàn)，“尤金龍，博士，UChicago生態(tài)與進(jìn)化的杰出服務(wù)教授，新研究的高級作者，博士說。

“從非編碼DNA序列中重新出現(xiàn)的新蛋白質(zhì)編碼基因有助于蛋白質(zhì)多樣性。然而，從頭基因起源對于研究具有挑戰(zhàn)性，因為它需要針對密切相關(guān)物種的高質(zhì)量參考基因組，祖先非編碼序列的證據(jù)以及新基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯。13個密切相關(guān)的Oryza物種的高質(zhì)量基因組提供了前所未有的理解從頭發(fā)生事件的機會。在這里，我們確定了大量年輕的從頭基因，這些基因具有可辨別的近期祖先非編碼序列和翻譯證據(jù)，“研究人員寫道。

“使用管道檢查基因組和倒數(shù)最佳全基因組比對之間的共線性關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)在重點物種至少175個從頭開放閱讀框的 栽培稻 亞種 粳稻，這都是在RNA基于測序的轉(zhuǎn)錄組檢測。基于質(zhì)譜的靶向蛋白質(zhì)組學(xué)和核糖體譜分析顯示57%的從頭基因的翻譯證據(jù)。最近在Oryza的分歧 ，每百萬年平均生成和保留51.5個de novo基因。我們觀察到進(jìn)化模式，其中過量的indels和早期轉(zhuǎn)錄在起源中有利于基因結(jié)構(gòu)的逐步形成。這些數(shù)據(jù)表明，在陽性選擇下，從頭基因有助于蛋白質(zhì)多樣性的快速進(jìn)化。“

幾十年來，科學(xué)家認(rèn)為新基因的進(jìn)化只有兩種方式：重復(fù)和分化或重組。在正常的復(fù)制和修復(fù)過程中，DNA的一部分被復(fù)制并產(chǎn)生基因的復(fù)制版本。然后，這些拷貝中的一個可能會獲得突變，這些突變會改變其功能，使其發(fā)散并成為一個獨特的新基因。通過重組，遺傳物質(zhì)被重新洗牌以產(chǎn)生新的組合和新基因。然而，考慮到構(gòu)成它們的氨基酸的可能組合的總數(shù)，這兩種方法僅占相對少量的蛋白質(zhì)。

科學(xué)家們一直想知道第三種機制，其中從頭基因可以從頭開始發(fā)展。所有生物都有很長的遺傳物質(zhì)，不編碼蛋白質(zhì)，有時高達(dá)總基因組的97%。這些非編碼區(qū)段是否有可能獲得突然使它們起作用的突變?

這一點很難研究，因為它需要來自幾個密切相關(guān)的物種的高質(zhì)量參考基因組，這些物種顯示祖先的非編碼序列和隨后從它們進(jìn)化而來的新基因。如果沒有這種明確的，可見的進(jìn)化線，就沒有辦法證明它是真正的從頭基因。之前報道的新基因可能只是一個“孤兒基因”，在某些時候從不相關(guān)的生物體中分離或轉(zhuǎn)移，然后其前輩的所有痕跡都消失了。

為了克服這些挑戰(zhàn)，Long的團(tuán)隊利用了13種新的基因組，這些基因組最近從11種密切相關(guān)的水稻植物中進(jìn)行了測序和注釋，其中包括最常見的糧食作物Oryza sativa。他曾在亞利桑那大學(xué)與Rod Wing博士領(lǐng)導(dǎo)的小組合作。來自中國華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的Yidan Ouyang博士也領(lǐng)導(dǎo)了一個團(tuán)隊，在中國南部沿海的熱帶島嶼海南種植自己的水稻，并將其收獲用于蛋白質(zhì)組學(xué)抽樣。

在分析了這些植物的基因組后，他們檢測出至少175個從頭基因。蛋白質(zhì)活性的進(jìn)一步質(zhì)譜分析由位于中國深圳的基因組測序中心深圳華大基因研究中心的Siqi Liu博士領(lǐng)導(dǎo)。他們發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明這些基因中有57%實際上轉(zhuǎn)化為新蛋白質(zhì)，包括300多種新肽。

有了這個真正的從頭基因的第一個大型數(shù)據(jù)集，Long的團(tuán)隊在他們的進(jìn)化中發(fā)現(xiàn)了一種模式。它始于表達(dá)的早期進(jìn)化，隨后突變?yōu)閹缀跛袕念^基因的蛋白質(zhì)編碼潛力。

“這是有道理的，因為廣泛觀察到各種生物中的基因間區(qū)域的表達(dá)，”UChicago的博士后研究員，該文章的第一作者Li Zhang博士說。

Long說，Oryza植物是尋找de novo基因的良好基因組，因為它們相對年輕 - 你仍然可以在它們現(xiàn)有的基因組中看到進(jìn)化的證據(jù)。

“這11種物種在大約三，四百萬年前相互分離，所以它們都是年輕的物種，”他說。“因此，當(dāng)我們對基因組進(jìn)行測序時，所有序列都非常相似。它們沒有累積多代變化，所以以前的所有非編碼部分仍然存在。“

Long和他的團(tuán)隊接下來想要研究新的蛋白質(zhì)，以進(jìn)一步了解它們的功能和進(jìn)化，看看它們的結(jié)構(gòu)是否有獨特之處。如果de novo基因為進(jìn)化開辟了未開發(fā)的途徑，它們可以揭示創(chuàng)造新的和改進(jìn)的細(xì)胞功能的機制。例如，研究人員檢測到自然選擇的證據(jù)，用于修復(fù)基因組中的插入和缺失以產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)序列，以及序列向改進(jìn)功能的演變。

“新蛋白質(zhì)可以使某些功能更好，或者更好地幫助調(diào)節(jié)基因，”他說。“每一步，他們都可以為生物體帶來某種益處，直到它逐漸固定在基因組中。”