生命中的遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸（DNA）時(shí)時(shí)刻刻都會(huì)受到損傷的威脅，每個(gè)細(xì)胞的基因組DNA每天會(huì)遇到約10000次的損傷。這些損傷導(dǎo)致的基因變異會(huì)使編碼蛋白的基因失去功能，進(jìn)而影響生命的意義。為了存活，生命便進(jìn)化出來(lái)許多應(yīng)對(duì)基因突變的辦法，其中之一就是“遺傳補(bǔ)償效應(yīng)”。然而，長(zhǎng)期以來(lái)科學(xué)界對(duì)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)是怎樣起作用的分子機(jī)制卻知之甚少。
北京時(shí)間4月4日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線報(bào)道了浙江大學(xué)陳軍教授和彭金榮教授課題組在遺傳補(bǔ)償效應(yīng)分子機(jī)制方面的重要研究進(jìn)展。課題組首次揭示基因補(bǔ)償效應(yīng)是由攜帶提前終止密碼子的信使核糖核酸（mRNA）所激起，由無(wú)義突變mRNA降解途徑（NMD）中的上游移碼蛋白3a（Upf3a）參與。同時(shí)，還揭示同源序列核酸是上調(diào)補(bǔ)償效應(yīng)基因的必要條件，并進(jìn)一步研究證明補(bǔ)償效應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄水平的增加是由于補(bǔ)償基因啟動(dòng)子區(qū)域組蛋白的表觀遺傳學(xué)修飾所引起的。該研究為疾病的治療提供了新思路。
無(wú)義突變mRNA與Upf3a/COMPASS復(fù)合物共同激活遺傳補(bǔ)償效應(yīng)
這項(xiàng)研究的第一作者為浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后馬志鵬，通訊作者為浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳軍教授和浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院彭金榮教授。
無(wú)義突變和同源序列是遺傳補(bǔ)償效應(yīng)發(fā)生的兩個(gè)必要條件
DNA的損傷如果導(dǎo)致變異的基因功能非常重要，機(jī)體又不能采取措施，生命將不能存活導(dǎo)致失去意義。遺傳補(bǔ)償效應(yīng)就是指在某一基因發(fā)生突變徹底失去功能后，機(jī)體采用相應(yīng)機(jī)制，提高其他基因的表達(dá)來(lái)代替這一基因的功能。
這就好像一個(gè)工廠的崗位空缺出來(lái)，中介需要找到其他人員來(lái)完成相關(guān)工作。如果這是個(gè)關(guān)鍵崗位卻招不到合適的人，那么這家工廠可能面臨著倒閉的危機(jī)。
一般而言，基因因其差異化而存在，人們敲掉其中一個(gè)時(shí)，功能會(huì)出現(xiàn)一定的異樣。但是在很多無(wú)義突變中，敲掉基因后并沒(méi)有表型，也就是說(shuō)沒(méi)有出現(xiàn)異常，而敲低時(shí)卻出現(xiàn)了表型。比如一個(gè)控制羽毛色澤的基因，敲掉后因依舊能發(fā)育出絢麗的羽毛，但是降低它卻讓羽毛變得暗淡無(wú)光。直到遺傳補(bǔ)償效應(yīng)提出后，科研人員對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了概括。因此，人們把敲除基因沒(méi)有表型，但敲低卻出現(xiàn)表型，作為鑒定基因具有遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的標(biāo)志。
生物學(xué)的中心法則是遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)錄到mRNA，最后通過(guò)翻譯形成蛋白質(zhì)。無(wú)義突變是指從DNA中轉(zhuǎn)錄出來(lái)的mRNA由于突變形成提前終止密碼，進(jìn)而提前結(jié)束了蛋白質(zhì)合成。
如果繼續(xù)進(jìn)行翻譯，那么會(huì)形成一個(gè)比正常有功能蛋白短一些的蛋白，通常這樣的蛋白不僅沒(méi)有功能而且還會(huì)有不好的副作用。這時(shí)候細(xì)胞自身會(huì)通過(guò)監(jiān)控途徑降解這樣的無(wú)義突變mRNA。
這種無(wú)義突變mRNA介導(dǎo)的降解途徑叫“NMD”途徑（Nonsense mRNA Mediated Decay pathway），是一種mRNA質(zhì)量監(jiān)控機(jī)制，就好比工廠在生產(chǎn)產(chǎn)品的過(guò)程中的質(zhì)檢，當(dāng)產(chǎn)品達(dá)不到要求時(shí)，會(huì)自行銷毀次品，不然會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重的后果。NMD介導(dǎo)的降解過(guò)程中，與無(wú)義突變mRNA結(jié)合的EJC蛋白復(fù)合體招募上游移碼蛋白3b（Upf3b）是降解次品的關(guān)鍵步驟。而Upf3b的雙胞胎“兄弟”Upf3a同樣可以與EJC蛋白復(fù)合體結(jié)合卻不參與降解反應(yīng)，但科研人員對(duì)于Upf3a存在的生理意義不得而知。
2015年，彭金榮實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，一個(gè)影響斑馬魚(yú)肝臟發(fā)育的鈣調(diào)蛋白酶（Capn3a），用不同方法敲低這一基因時(shí)會(huì)出現(xiàn)小肝臟表型，而敲除遺傳突變體肝臟發(fā)育正常?！扒贸蛔凅w長(zhǎng)出正常的肝臟，說(shuō)明可能是遺傳補(bǔ)償效應(yīng)在起作用。”馬志鵬推測(cè)說(shuō)。
Capn3a突變體具有基因補(bǔ)償效應(yīng)
那么怎樣的突變，才能引起遺傳補(bǔ)償效應(yīng)呢？又是通過(guò)哪些基因的表達(dá)來(lái)彌補(bǔ)突變基因的功能呢？
為了回答這兩個(gè)問(wèn)題，陳軍課題組科研人員繼續(xù)在斑馬魚(yú)開(kāi)展大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)構(gòu)建鈣調(diào)蛋白酶基因的不同突變體，發(fā)現(xiàn)只有無(wú)義突變才能激活遺傳補(bǔ)償效應(yīng)，并且是通過(guò)提高與變異基因序列同源的家族基因表達(dá)來(lái)進(jìn)行的。非常有意思的是，他們通過(guò)向斑馬魚(yú)體內(nèi)導(dǎo)入外源DNA構(gòu)建轉(zhuǎn)基因，同樣也能激活體內(nèi)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)，即外源導(dǎo)入的轉(zhuǎn)基因只要帶有無(wú)義突變和同源序列，就可以提高體內(nèi)具有同源序列的基因表達(dá)。這些實(shí)驗(yàn)證明無(wú)義突變和同源序列是遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的兩個(gè)先決條件。
無(wú)義突變和同源序列是激活遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的兩個(gè)必要條件
Upf3a分子是遺傳補(bǔ)償效應(yīng)發(fā)生的“中介”
那么下一個(gè)問(wèn)題是無(wú)義突變mRNA通過(guò)怎樣的“中介”來(lái)提高它的同源基因表達(dá)呢？基于已有的NMD途徑，陳軍課題組另辟蹊徑，把Upf3a敲除，Capn3a突變體肝臟就變小了，補(bǔ)償?shù)耐椿虮磉_(dá)也下降，遺傳補(bǔ)償效應(yīng)消失。
這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了無(wú)義突變產(chǎn)生的終止密碼子，并對(duì)整個(gè)機(jī)體表現(xiàn)出像遠(yuǎn)古時(shí)期天地崩塌一樣的災(zāi)難。與神話女?huà)z補(bǔ)天如出一轍的是，這時(shí)候Upf3a這個(gè)“中介”分子，通過(guò)找到與信使mRNA序列同源的基因，改變他們的表達(dá)來(lái)彌補(bǔ)突變基因的功能。這個(gè)過(guò)程就好像冶煉五色石達(dá)到與天空相似的功能，最后達(dá)到洪水退去、蒼天平復(fù)的效果。
因此，陳軍課題組得出結(jié)論，機(jī)體應(yīng)對(duì)無(wú)義突變，其中Upf3a是誘導(dǎo)遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的重要“中介”。
“中介”如何具有“女?huà)z補(bǔ)天”的能力？
隨后，課題組進(jìn)一步揭示“中介”Upf3a通過(guò)招募復(fù)合體（COMPASS）將核小體中組蛋白H3第4位賴氨酸進(jìn)行甲基化，從而打開(kāi)染色體的結(jié)構(gòu)促進(jìn)基因表達(dá)，不斷擴(kuò)充具有相似功能的數(shù)量。
陳軍課題組根據(jù)研究結(jié)果，提出遺傳補(bǔ)償效應(yīng)的分子機(jī)制模型：轉(zhuǎn)錄后被識(shí)別的無(wú)義突變mRNA可以與Upf3b結(jié)合，也可以與Upf3a結(jié)合。如果與Upf3b結(jié)合，它將被NMD途徑降解；如果它與Upf3a結(jié)合，Upf3a將招募COMPASS復(fù)合體，無(wú)義突變mRNA利用核酸序列同源性，將Upf3a/COMPASS帶到其家族同源基因的基因組DNA處，改變其組蛋白修飾，促進(jìn)同源基因表達(dá)，彌補(bǔ)本身的功能損失。
遺傳補(bǔ)償效應(yīng)分子機(jī)制的發(fā)現(xiàn)具有重要實(shí)踐意義
遺傳補(bǔ)償效應(yīng)并不是斑馬魚(yú)獨(dú)有的現(xiàn)象，在小鼠、擬南芥等模式生物鐘也存在?！拔覀兯l(fā)現(xiàn)的分子機(jī)制不僅具有重要的理論意義，而且對(duì)于揭示基因功能研究以及疾病治療具有重要的價(jià)值?！标愜娊榻B，“遺傳補(bǔ)償效應(yīng)”對(duì)機(jī)體存活具有重要意義，但對(duì)于基因功能研究是一個(gè)巨大的障礙，比如斑馬魚(yú)超過(guò)80%的基因被敲除后沒(méi)有表型，所以很難研究這些基因的功能，這其中大部分是由于“遺傳補(bǔ)償效應(yīng)”導(dǎo)致。未來(lái)想要研究這些基因，就可以利用陳軍課題組揭示的分子機(jī)制，敲低“中介”蛋白Upf3a，阻斷遺傳補(bǔ)償效應(yīng)開(kāi)展基因研究。
基因組測(cè)序結(jié)果顯示，在正常人群的基因組中存在著大量攜帶有純合無(wú)義突變的基因，其中有些基因的錯(cuò)義突變會(huì)引起嚴(yán)重的人類遺傳疾病，例如帕金森、白血病、脊柱側(cè)彎等。陳軍課題組推測(cè)這可能是遺傳補(bǔ)償效應(yīng)導(dǎo)致了這些疾病，他表示，針對(duì)錯(cuò)義突變引起的人類遺傳疾病，可以通過(guò)敲除此基因，或轉(zhuǎn)入帶有無(wú)義突變的同源DNA，激活人體內(nèi)“遺傳補(bǔ)償效應(yīng)”治療疾病。
《自然》雜志匿名評(píng)審專家在評(píng)審時(shí)表示，這是一個(gè)具有潛在廣泛意義的非凡故事。例如，它澄清了許多敲除研究的解釋。它為一個(gè)有趣的現(xiàn)象提供了一個(gè)機(jī)制基礎(chǔ)，該機(jī)制賦予了細(xì)胞健壯性。正如作者指出的，引入無(wú)義突變可能是治療存在補(bǔ)償基因的遺傳病的一種臨床途徑。
參與這項(xiàng)研究的還有朱佩佩、施回、郭李偉、張慶河、陳亞男、陳書(shū)銘、張哲。研究成果受到科技部重大基礎(chǔ)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金資助。
（文 柯溢能 / 攝影 盧紹慶 圖片由課題組提供）
