PNAS：遺傳之謎告破，生物萬象皆將有據可循

The circular E. coli genome. Sets of genes, or operons, which lack regulatory understanding are shown in red. Though E. coli is the most well-studied organism on the planet, scientists do not understand the regulatory mechanisms of 67 percent of E. coli"s genes. Credit: Courtesy of the Phillips laboratory

近日，來自加州理工學院的一項最新研究發現了一種新的技術可幫助破解DNA中被稱為「非編碼DNA序列」的某些神秘區域的編碼。這些不為人所知的區域中的許多突變與人類等生物體的疾病有關，因此了解非編碼DNA的功能至關重要。

相關研究於5月4日由Rob Phillips教授為主要作者以「Systematic approach for dissecting the molecular mechanisms of transcriptional regulation in bacteria」為題發表在《PNAS》雜誌上。

https://doi.org/10.1073/pnas.1722055115

人類的細胞豐富多樣——包括肌肉細胞、神經元、光感受器、血細胞等等。它們都有著相同的DNA，那麼它們各自的功能為何如此不同呢？答案在於基因可以在不同的組織中以不同的方式進行調節（開啟或關閉、向上撥動和向下撥動）。而迄今為止，還沒有一個通用的原則來幫助我們理解這個規則是如何被編碼的。

在基因組中，被研究最充分的部分是編碼區（即編碼蛋白質的基因，這些基因使細胞能夠發揮作用），然而，大腸桿菌（ Escherichia coli ，E. coli ）中超過50 %的基因具有非編碼區，其功能仍然是完全神秘的。

在這項新工作中，第一作者 Nathan Belliveau應用了一種被稱為Sort-Seq的方法來突變大腸桿菌中的小塊非編碼區，並確定哪些區域含有結合位點（結合位點是參與轉錄（基因表達過程的第一步）的特殊蛋白亦即附著於DNA的位置）。

首先，研究人員將他們想了解的非編碼DNA的潛在有趣部分剔除。為此，他們將編碼綠色熒光蛋白( GFP )的DNA連接到這些基因上。然後，將每個小的工程DNA片段放入單獨的大腸桿菌中，使其產生這些綠色蛋白質。

當Belliveau隨機突變部分未知區域時，他注意到在一些細菌中產生的GFP的量發生了可觀察到的變化，這表明突變的DNA正在改變基因表達水平。通過DNA測序，研究人員能夠精確定位這些重要突變的確切位置，並利用這些信息識別新的結合位點。

Phillips給出了一個文學類比：「這就好像我翻閱了一本書，然後從單詞中隨機抽取10%的字母並對其進行修改。如果『walk』的第一個字母變成T，該詞就變為 『talk』，單詞意思就完全改變——你的理解也會相應發生變化。同樣，我們想知道的是，基因組的哪些部分對細胞理解的影響最大」。

在檢查了許多非編碼區域以確定結合位點後，團隊的目標是匹配與該區域對應的蛋白質的區域。

「這簡直如同大海撈針。大腸桿菌中大約有300萬個蛋白質，可能有10個拷貝的特定蛋白質對應於給定的結合位點，即要在30萬個蛋白質中找出一個蛋白質。」Phillips說。

Belliveau發明了一種找到這種「針」的方法:他取出一段含有一個結合位點的非編碼DNA，將大腸桿菌細胞的內容物倒在該DNA上，然後鑒定出粘在該位點上的蛋白質。

「這項工作表明，我們可以用我們的方法對非編碼DNA從一無所知到知之甚少直至走向真正理解，下一步是嘗試擴大規模，使我們能夠追蹤整個基因組。」Belliveau總結道。

責編：艾曼

參考資料：

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