內含子並非垃圾DNA！兩篇Nature揭示它們具有驚人的穩定性和功能

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科學家們長期以來一直困惑於為什麼許多真核生物中的蛋白編碼基因散布著沒有明顯生物學功能的非編碼DNA片段。這些稱為內含子（intron）的非編碼DNA片段通常在轉錄和翻譯之間從它們的原始mRNA轉錄本序列中移除並在蛋白產生之前迅速遭受破壞。

如今，兩項新的研究揭示出內含子的一種意料之外的作用，至少在酵母中是如此：它們中的很多在剪接後長時間地逗留在細胞中，並且在應激條件下在調節細胞生長中發揮著重要的作用。相關研究結果於2019年1月16日在線發表Nature期刊上，論文標題分別為「Excised linear introns regulate growth in yeast」和「Introns are mediators of cell response to starvation」。

英國倫敦大學學院遺傳學家JürgB?hler（未參與這兩項研究）評論道，「我發現這是非常令人吃驚和令人興奮的，這是因為諸如內含子--通常被認為是細胞中的垃圾---之類的東西能夠在飢餓等某些生理條件下起著如此巨大的調節作用。」

自1977年發現內含子以來，科學家們針對它們的存在提出了幾種觀點：比如，它們可能通過延長將DNA翻譯為蛋白所需的時間來調節基因表達。內含子還允許選擇性剪接，這是一種允許核糖體利用單個基因產生多種不同蛋白的過程。然而，加拿大雪布魯克大學遺傳學家Sherif Abou Elela說，人們總是認為內含子是垃圾DNA。

這項關於內含子在酵母中的功能的發現是由Elela的研究團隊和另一個研究小組通過不同的方法獨立完成的。

在第一項研究中，美國麻省理工學院懷海德研究所RNA生物學家David Bartel及其團隊偶然發現了這個現象：在一項無關的研究中，Bartel的前博士生Jeffrey Morgan（如今是猶他大學Jared Rutter實驗室的一名博士後研究員）在對處於細胞生長下降階段的酵母細胞進行RNA測序時，檢測到許多內含子片段。這表明這些內含子在酵母細胞中聚集，而不是遭到降解。

經過進一步的研究，Bartel及其團隊發現了34個內含子---大約佔酵母內含子的11％---看起來非常穩定並且在剪接體複合物（spliceosome complex）周圍徘徊，其中剪接體複合物是負責從mRNA前體中切除內含子的細胞機器。Bartel解釋道，「看起來它們仍然結合到剪接體複合物的一些組分上，這會阻止它們遭到降解。」不過，他不確定這是如何精確實現的。

為了評估這些非常穩定的內含子的潛在生物學作用，Bartel團隊利用CRISPR從酵母基因組中移除了少數幾個內含子，並通過將正常的酵母細胞（即野生型酵母細胞）和經過基因改造的酵母細胞（即突變型酵母細胞）在一起培養，比較了這兩種酵母細胞的生長。當營養資源非常豐富時，相比於野生型酵母細胞，突變型酵母細胞茁壯成長，然而，當營養資源非常有限時，情況並非如此。

相比之下，當食物稀缺時，野生型酵母細胞茁壯成長，但是當食物豐富時，情況並非如此。

Bartel說，明顯地，「這些穩定的內含子要麼有益於要麼有害於」這些野生型細胞群體，具體而言就是在營養豐富的條件下，延緩它們的生長，同時在飢餓期間有助它們存活更長時間。

在第二項研究中，Elela團隊從一開始就著手了解為何酵母具有內含子。Elela說，為了找到答案，他的團隊系統性地構建了一個由295個酵母菌株組成的文庫，其中每個菌株都有一個不同的內含子缺失。

在營養不足的環境中，內含子移除阻礙酵母細胞生長，這一點與Bartel團隊的研究結果相類似，但是在資源充足時，對酵母細胞幾乎沒有影響。Elela團隊發現酵母基因組中的許多內含子---大約90％---當被移除時都具有這種影響。

不過仍然不清楚內含子如何在飢餓條件下促進細胞存活。這兩個研究團隊都提出了一種機制，通過這種機制，這些內含子序列干擾了剪接體複合物，從而阻止它移除新轉錄的內含子。在營養稀缺的環境中，這將有利於細胞存活，這是因為這將阻止它們在沒有足夠資源的環境下試圖生長而浪費能量。

為支持這一觀點，Elela團隊的進一步實驗表明在飢餓細胞中，內含子抑制蛋白產生所必需的核糖體蛋白基因表達。對他而言，這表明內含子允許更少的基因發生剪接和翻譯，最終減緩細胞代謝和降低能量消耗，因而有助於這些細胞存活更長時間。

另一方面，在營養豐富的條件下，減緩細胞代謝將是有害的，畢竟細胞具有足夠的生長資源。基於其他的實驗，這些研究人員提出了一個理論模型：TORC1途徑---一種控制酵母在對營養物作出反應時進行生長的關鍵信號級聯反應---促進內含子在營養不足的環境下聚集。

最終，這將有助於這些細胞在應激條件下更好地應對，從而確保細胞在營養物有限時不會因試圖產生蛋白和生長而消耗寶貴的資源。Elela說，「好日子是垃圾，壞日子是寶藏。」

對於B?hler來說，這個想法很合理。他指出，已知TORC1途徑可以調節核糖體蛋白產生，但是通過不同的機制。因此，他評論道，內含子聚集「似乎是剪接過程中的一個額外的控制水平」。

Bartel對這兩個研究小組的研究結果非常著迷，不過他認為他在他的研究中觀察到的非常穩定的內含子可能發揮著與Elela團隊觀察到的內含子不同的作用。與此同時，他想知道內含子的這些功能是否是保守的。他說，「內含子可能在很多地方具有功能。如果酵母可能是唯一能夠使用這些切除的內含子的物種，我們會感到吃驚。」

參考文獻：

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