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科學家終于破譯了果蠅基因庫中的一些最重要部分！

一組來自美國康涅狄格大學、羅切斯特大學以及哈佛醫(yī)學院的生物學家首次成功地破譯、測序了多細胞生物中的所有著絲粒的基因組成，并且還發(fā)現(xiàn)了可能在染色體分裂中起關(guān)鍵作用的DNA片段。

這是非常重大的突破，因為如果在染色體分裂的過程中出現(xiàn)任何錯誤，都有可能導致癌癥、天生缺陷，甚至是死亡。研究人員將這些重大成果分發(fā)表在了5月14日的《公共科學圖書館·生物學》期刊上。

什么是著絲粒？著絲粒就是染色體中連接了兩個染色單體的結(jié)構(gòu)，它賦予大多數(shù)染色體以特有的X形狀，在細胞分裂時會幫助染色體移動。如果把染色體比作一輛巴士，DNA和基因是其中的乘客，那么著絲粒就是那位巴士司機。在DNA被復制之后，著絲粒會將染色體移動到新的子細胞中。

但一直以來，科學家對這些基因里“巴士司機”知之甚少。雖然之前他們也曾成功地甄別出過一些玉米、馬、酵母和其他真菌的著絲粒，還鑒別出了一個主宰著Y染色體的人類著絲粒，但他們對著絲粒的了解最多也僅限于它們是長到令人難以置信的重復DNA片段。

盡管科學家在2000年就曾報告說我們已經(jīng)掌握了果蠅的整個基因庫，但事實上，研究人員跳過了果蠅的著絲粒和其他一些重復DNA。同樣，我們對人類基因組的了解也不并非真正完整，人類的著絲粒（除了Y染色體的著絲粒以外）也仍然是個謎。

這種疏忽是由技術(shù)原因造成的，因為若要給基因組測序（也就是確定DNA里的堿基順序），我們首先必須將DNA切成一塊塊長度約為150個堿基的小片段，然后計算機可以通過尋找兩個相互匹配的基因片段而將基因組組合在一起。而著絲粒會傾向于一遍又一遍地重復相同的堿基字母，并且它的長度可以延伸到數(shù)百萬個堿基，所以在著絲粒中，許多小片段看起來非常像。這給測序帶來了很大的難度，因為這就好比是在拼一副全是藍天的拼圖，每一塊拼圖看起來都一樣。

美國羅切斯特大學的進化遺傳學家Amanda Larracuente是這項研究的主導人之一，她與她的研究團隊使用了一種新的測序技術(shù)，可以對長度達到10,000到100,000個堿基的DNA片段進行測序。Larracuente解釋說，有了這種技術(shù)，就好比有了一幅更大的藍天拼圖，在這幅更廣闊的圖畫中，我們或許能夠捕捉到幾縷云彩，從而減輕一點找出DNA片段是如何組合在一起的難度。除此之外，他們還使用了一些其他技術(shù)來將著絲粒的拼圖組合在一起。有了這些技術(shù)，其他科學家也可以借用它們來填補其他生物體基因組中的空白。

這一次，研究人員終于將著絲粒的片段組合在了一起。他們發(fā)現(xiàn)，重復的DNA片段會被一些像“島嶼”一樣的跳躍基因隔開，這種跳躍基因（或稱逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子）是一些古老的可移動的DNA片段，它們有點類似于病毒，可以進行自我復制，并能將這些復制插入整個基因組的各個位置。可以說，是轉(zhuǎn)座子的存在塑造了人類的進化。但有時，這種跳躍基因也會造成傷害，比如當一個逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在插入一個基因位點而破壞了一個重要的基因時，就會出現(xiàn)那些我們不想看到的情況。

每一個果蠅染色體的著絲粒都是獨一無二的，盡管它們都具有相同基本結(jié)構(gòu)的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子（尤其是逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子G2/Jockey-3）島嶼，這些島嶼都被重復DNA的海洋所包圍。研究人員發(fā)現(xiàn)，有63%的G2/Jockey-3副本存在于果蠅的著絲粒中，還有一些分散在基因組的其他地方。這一結(jié)果或許意味著，轉(zhuǎn)座子就像是一顆種子，圍繞這顆種子能夠形成新的著絲粒；又或者說，轉(zhuǎn)座子可能只是比基因組的其他部分能更頻繁地進入著絲粒。

在研究過程中，他們還發(fā)現(xiàn)了一條暗示著G2/Jockey-3可能會播種著絲粒的線索：一種關(guān)鍵的名為CENP-A的著絲粒蛋白依附在那些轉(zhuǎn)座子島嶼之上。CENP-A是一種有助于固定著絲粒，將染色體分離成新的子細胞的蛋白質(zhì)。而發(fā)現(xiàn)CENP-A就粘附在轉(zhuǎn)座子上意味著跳躍基因在著絲粒中可能處于掌控地位。

康涅狄格大學的遺傳學家Barbara Mellone是這項研究的另一位主要研究者。她介紹說，雖然植物、真菌、蝙蝠、長臂猿和人類的著絲粒也含有逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，但沒有人真正知道這些轉(zhuǎn)座子是在駕駛巴士，還是只是在搭一趟便車。例如，有一些證據(jù)就表明轉(zhuǎn)座子似乎只是乘客：在玉米中，著絲粒會先移動，然后才會有轉(zhuǎn)座子的出現(xiàn)。

面對這些未知，研究人員希望通過這次對著絲粒結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，他們可以在未來找到跳躍基因?qū)τ谠谡_的軌道上維持果蠅的著絲粒和染色體有何重要作用。

參考鏈接：

[1] https://www.sciencenews.org/article/fruit-fly-jumping-gene-chromosome-centromere

[2] https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3000241

文章來源：原理

IEEE Spectrum

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