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Science論文深度解讀！新研究揭示增強子在動物體內是非常保守的
來源:EMILY LEE 細胞
在一項新的研究中，來自澳大利亞昆士蘭大學、新南威爾士大學、莫納什大學、墨爾本大學、悉尼大學和張任謙心臟研究所的研究人員發(fā)現稱為增強子的基因調控元件的功能在進化樹上分布的動物物種中廣泛保守。當他們將來自海綿動物的增強子序列插入斑馬魚和小鼠體內時，這兩種脊椎動物都能夠解釋遺傳信息，并驅動發(fā)育基因的細胞特異性表達，甚至在海綿動物沒有的細胞類型中也是如此。這些研究結果表明至少在某些情況下，增強子的功能在遠在7億年前最后一個共同祖先的物種中持續(xù)存在。相關研究結果發(fā)表在2020年11月6日的Science期刊上，論文標題為“Deep conservation of the enhancer regulatory code in animals”。
Islet增強子的活性在動物進化中是保守的。圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aax8137。
一旦被蛋白結合，增強子就會控制基因在哪里、何時以及如何受到調控，并在很大程度上負責發(fā)育過程中的細胞分化。論文共同通訊作者、張任謙心臟研究所計算基因組學研究員Emily Wong告訴《科學家》雜志，“肌肉細胞之所以與皮膚細胞不同，都是因為基因受到調控的方式不同。這就是為何了解這些區(qū)域真地很重要。我們的發(fā)現是令人興奮的，這是因為我們知道這些區(qū)域的進化非常迅速，從而使得它們很難找到?！?/span>
許多增強子位于基因組的非編碼區(qū)域，Wong稱之為“暗物質”部分，這是因為大多數基因組研究都集中在編碼蛋白的外顯子上。但越來越多的證據表明，人類基因組可能有幾十萬個增強子，遠遠超過了我們大約2萬個蛋白編碼基因。與增強子相互作用的轉錄因子和增強子所調控的基因相比，增強子的進化也很迅速，這意味著它們可能不會隨著時間的推移而保持它們的序列保真度。
因此，通過比對基因組并尋找相似序列來比較它們的傳統(tǒng)方法對增強子是無效的，這是因為增強子的短DNA重復序列基序可能會發(fā)生很大的變化，以至于它們不再能被識別。事實上，沒有一個增強子被證明在整個動物王國中是保守的。
不過，Wong和她的同事們猜測增強子的“調節(jié)語法（regulatory grammar）”可能是靈活的，這意味著即使構成增強子的基序的數量、排列或類型發(fā)生變動，它們也能保持它們的功能。如果這是真的，增強子理論上可以在不同的物種中保持它們的功能。
為了檢驗這一假設，這些研究人員在海綿動物大堡礁海綿（Amphimedon Queenslandica）中尋找推定的增強子，其中大堡礁海綿是一種澳大利亞物種，經常被用來研究后生動物的進化。他們將目標鎖定在微同線基因對（microsyntenic gene pair）上，在一個微同線基因對中，一個基因（目標基因）被另一個基因（旁觀者）中的增強子所調控。鑒于目標基因通常對正常發(fā)育至關重要，他們推斷，選擇將使得這些基因隨著時間的推移變得更加穩(wěn)定。
雖然這些研究人員發(fā)現了60對這樣的基因對，但是他們最關注的是一對具有已知調控作用的基因，即Islet-Scaper基因對，其中Islet基因是目標基因，Scaper基因是旁觀者。一個稱為稱為eISL的增強子位于Scaper的內含子上。在脊椎動物中，Islet參與神經系統(tǒng)和心臟發(fā)育功能以及其他功能。
這些研究人員首先將整個Islet-Scaper基因對插入到轉基因斑馬魚胚胎中，該胚胎仍然含有自身的Islet基因（斑馬魚有三個旁系同源基因）和增強子。如果斑馬魚的調節(jié)機制失去了識別這種海綿動物增強子上結合位點的能力，那么他們就不會觀察到海綿動物Islet基因的任何表達。然而，Wong和她的同事們除了檢測到斑馬魚自身的Islet基因版本外，還檢測到了海綿動物Islet基因的轉錄，這意味著斑馬魚的轉錄因子即使在經過數億年的進化后，仍然能夠讀取這種海綿動物增強子上的結合位點。
接下來，他們將這種海綿動物增強子插入到綠色熒光蛋白（GFP）的上游，其中這種GFP讓斑馬魚在這種增強子有活性的特定細胞類型中發(fā)光。盡管海綿動物缺乏大腦、眼睛和心臟，但是這種斑馬魚的細胞特異性表達模式與野生型斑馬魚一致，這些發(fā)現得到了隨后使用小鼠進行的實驗的支持。這種源自海綿動物的增強子活性使得斑馬魚在它們的神經系統(tǒng)、耳朵和皮膚中發(fā)出最亮的光，而小鼠也在眼睛中表現出GFP表達，這表明即便增強子的序列本身......存在差異，但是存在功能保守性。
Wong說，“當我們把這些增強子序列放到完全不同的在進化上早就分歧開的動物中時，我們觀察到它能夠驅動細胞類型特異性的表達”，這些發(fā)現表明“即使序列本身......存在差異，也存在功能保守性”。
雖然這些研究人員并不是第一個證實序列不需要看起來就能夠在動物之間進行轉移的研究團隊，但是阿根廷布宜諾斯艾利斯大學發(fā)育生物學家Flávio S. J. de Souza（未參與這項新的研究）曾研究過增強子和Islet，他對這種保守性的深度感到吃驚。de Souza告訴《科學家》雜志，“我們正在處理一種海綿動物，它位于動物王國系統(tǒng)發(fā)育樹的最末端。我認為這指向一個更普遍的現象?！?/span>
在證明eISL在功能上是保守的之后，Wong接下來開發(fā)了一種計算工具，可根據這種增強子結合基序的特征--它們的數量、位置和序列類型，而不是整個序列本身---掃描來自各種數據庫中的基因組微同線區(qū)域（microsyntenic region），從而在海綿動物、斑馬魚、小鼠和人類中找到這種增強子的同源物。當他們用他們懷疑的人類和小鼠eISL增強子候選同源物構建轉基因斑馬魚時，他們發(fā)現了類似于他們在早期使用海綿動物eISL版本的實驗中觀察到的細胞特異性Islet表達模式。
美國加州大學伯克利分校分子生物學家Michael Eisen（未參與這項新的研究）告訴《科學家》雜志，“很明顯，這項研究加強了這一點，即它并不要求你將增強子的結合位點保持在相同的位置、相同的數量和相同的定位。你可以用不同的方式來實現相同的輸入-輸出模式?！?/span>
de Souza說，他想知道更多關于Islet增強子在海綿動物本身中的作用。de Souza說，雖然這篇論文已經證明了這部分DNA可以作為增強子發(fā)揮作用，但是進行這些轉基因實驗“使得它脫離了它的天然基因組環(huán)境”。更好地理解它在大堡礁海綿中的作用將需要基因組操作，比如在模型生物中常見的基因敲除實驗，但在更多的外來物種中做到這一點可能是困難的。
Eisen說，他希望看到這些研究人員對Islet-Scaper基因對持有的同樣嚴謹的態(tài)度應用于不同物種中的數百個（如果不是數千個的話）額外的假定增強子。由于對增強子的了解如此之少，很難說他們取得的發(fā)現在這些調節(jié)元件如何隨著時間的推移保持保守性方面是否觸及到一個異常值。
Eisen說，“我仍然認為人們沒有意識到增強子的進化有多奇怪。定期用新的例子提醒人們是有好處的，這是因為我認為這篇論文描述的現象仍然沒有得到廣泛的欣賞，即使是轉錄領域的人。”
參考資料：
1.Emily S. Wong et al. Deep conservation of the enhancer regulatory code in animals. Science, 2020, doi:10.1126/science.aax8137.
2.Nathan Harmston. Regulation in common: Sponge to zebrafish. Science, 2020, doi:10.1126/science.abe9317.
3.Regulators of Gene Activity in Animals Are Deeply Conserved
https://www.the-scientist.com/news-opinion/regulators-of-gene-activity-in-animals-are-deeply-conserved-68131
