困擾人類數十年的難題終得答案，哺乳動物DNA中的非編碼「超保守序列」能影響大腦發育

前言：一直以來有一個難題，已經嘲笑了科學家數十年。數百個跨哺乳動物基因組的完美序列保守連續鹼基的非編碼「超保守」區域，像是基因組中的「暗物質」，完美保守，卻又沒有發現有明顯的功能。

1月18日，勞倫斯 伯克利國家實驗室的研究人員在Cell發表題為：Ultraconserved Enhancers Are Required for Normal Development的研究長文，證實哺乳動物基因組中的超保守序列可以作為增強子，是正常發育所必需的。

包含數百個跨哺乳動物基因組的完美序列保守連續鹼基的非編碼「超保守」區域可以起到遠距離作用增強子的作用。使用CRISPR基因編輯技術創建了一系列基因敲除小鼠，超保守增強子單個或成對缺失的小鼠是可以存活的和繁育的，但幾乎都顯示出神經或生長異常，包括神經元群體和結構性腦缺陷的顯著改變。研究結果表明超保守增強子具有重要功能，是生長發育中必需的。

這個困擾人類數十年的問題，終於得到了解決。使用CRISPR刪除一些「超保守序列」，發現這些序列通過微調蛋白質編碼基因表達來指導大腦發育。這一發現可能有助於人們更好地了解諸如阿爾茨海默病等神經疾病。

早在2004年，加利福尼亞斯坦福大學的基因組學家Gill Bejerano就在Cell發表文章描述了這種超保守序列，但當時並不知道這些序列的作用，生物學家們花了十四年的時間才弄清楚這一點。

Gill Bejerano和同事們最初比較人類、小鼠、大鼠、雞的基因組時發現了「超保守的序列」，並且發現了481個在整個物種中極其相似的DNA片段。這非常令人驚訝，因為DNA一代一代地變異，而且這些動物譜系已經獨立發展了2億年。

編碼蛋白質的基因往往具有相對較少的突變，因為如果這些變化破壞相應的蛋白質並在繁殖前死亡，則突變的基因不會傳遞給後代。根據這個邏輯，一些基因組學家懷疑自然選擇在超保守區域也同樣地排除了突變。儘管序列不編碼蛋白質，但它們的功能必定非常重要，以至於不能有突變。

但是這個假設在2007年遇到了一個障礙，當時一個研究小組報告敲除了老鼠中的四個超保守序列，發現這些動物看起來很好，並且能正常繁殖。這次Cell研究的第一作者，勞倫斯伯克利國家實驗室的基因組學家Diane Dickel說：「這令人震驚，那些小鼠應該死了才對」。

Dickel和她的同事使用基因編輯工具CRISPR/Cas9重新研究了這個問題。在小鼠中，他們刪除了四個超保守序列，這一次，序列敲除小鼠看起來沒問題。但解剖大腦時發現了異常。敲除這些序列的小鼠具有與阿爾茨海默病進展有關的異常低的腦細胞數目。正常小鼠前腦與記憶形成和癲癇有關的部分看起來像一把刀，但是敲除超保守序列的小鼠的這一部分看起來「刀刃」很扭曲。見下圖：

小鼠前腦的正常部分（左）與突變形式（右）

但她認為由此產生的認知缺陷不會危及野生小鼠，這些超保守區域的變化不會在群體內傳播，因為受影響的個體在繁殖方面要比不受影響的個體成功率低。

未來的研究可能會探討患有阿爾茨海默病，痴呆症，癲癇症或其他神經系統疾病的人是否在這些被忽視的非編碼序列中有突變。雖然許多其他超保守序列的功能仍然未知，但它們很可能也是必不可少的。

參考文獻：

Dickel, D. et al. Cell http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0050234 (2018).

Bejerano, Gill et al. Science 304, 1321-1325 (2004).

Ahituv, N. et al. PLOS Biol. 5, e234 (2007).

Amy Maxmen."Dark matter" DNA influences brain development.Nature(2018).

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