“跳”的基因可能在大脑神经功能重建

基因组,误解了

已经有很大的进步在近几十年来,我们对基因组学的理解完成人类基因组计划在2003年和序列DNA的技术进步能力。但多年来,大部分的基因组(~ 97%)被错误地贴上“垃圾”基础上,不编码蛋白质。虽然一些研究小组思考这个神秘的角色基因组的一部分,大部分的过去基因组研究关注外显子,编码蛋白质的DNA序列。

然而,研究联盟等编码开始显示,这种“垃圾”景观只是误解了。“垃圾DNA在很大程度上是由高度重复的DNA,因此具有挑战性的“读”这些部分我们的基因组。然而,最近的技术进步已经彻底改变了基因的研究。我们现在能够分析10000年代的单个细胞的基因组在很短的时间,”说Christoph Treiber博士博士后研究科学家在神经回路和行为中心牛津大学。

我们现在知道,基因组的非编码部分具有不同遗传成分对细胞生物学功能属性是必要的,作为一个例子转座的元素,或转座子。¹

转座子的影响,或“跳”的基因,在很大程度上取决于他们的土地。它们可以被遗传变异的重要来源,导致的潜在不利影响经常被称为“DNA寄生虫”。然而,他们也被认为是进化的关键因素导致可遗传的遗传变异,而多样化的物种。

新兴的研究也提出,转座子能够引入不可遗传的基因变化体细胞细胞,特别是神经元。⁵在大脑中,转座子插入可以驱动一个特定群体的神经元的生理,导致特定的大脑功能,比如行为或认知——实际上“重组”大脑。它也打开的可能性转座子可以涉及疾病如神经退化或与年龄有关的认知衰退。

这是Treiber的研究集中在牛津大学,和他的主题最新的纸发表在基因组研究合作斯科特教授Waddell。⁷研究小组使用新颖的单细胞测序的方法来分析大脑的转座子的表达黑腹果蝇果蝇。的果蝇使用飞是一个普遍采用模型领域的遗传学和神经科学在过去的世纪。⁶

单细胞测序的进步

在过去,体细胞转座子已经极难分析,因为它们发生在单个DNA分子,但是单细胞测序已经被证明是一个真正的游戏规则根据Treiber。

“能够访问10000年代的转录组的细胞从大脑在单一实验中使我们能够分析并行许多细胞类型。它使我们能够揭示转座子的复杂表达模式,”他说188金宝搏备用技术网络,并补充道,“在我们的研究小组中,我们开创了这些新工具的应用飞大脑。”

转座子在大脑中一个重要的角色吗?

的分析果蝇大脑在单细胞水平显示,转座子的表情并不是随机的,它发生在一个模式。“令人惊讶的是,当我们看着“垃圾”的基因在大脑中,开始出现一个清晰的模式,“Treiber评论。“我们的主要发现是,转座子并不表示随机在大脑中。相反,我们发现他们的表达是由基因包围他们。”

此外,科学家们发现一系列神经基因的大量成熟的mRNA转录池包含转座子序列。他们有时会发生在开放阅读框,除了位置可以影响基因的翻译,翻译区,或UTR。“我们展示了许多转座子拼接成细胞基因,从而可能改变蛋白质的结构和功能在大脑中,“Treiber说。

当然,蛋白质的结构和功能的改变,最终都可能导致疾病,根据蛋白质的作用。Treiber和Waddell 264转座子窝藏基因识别果蝇大脑。其中的264个基因,有几个例子的中断或改变可能会影响神经功能,潜在的不良后果。“飞窝藏流浪汉在上海和跳蚤在cac有可能改变电压门控电流,而那些roo在AstA-R1会有不同的反应调节Allatostatin神经肽,”作者写道。

当被问到为什么,总的来说,这项发现使Treiber和Waddell得出转座子可以改变神经功能,他说,“果蝇的大脑是一个行之有效的模型帮助我们阐明我们的大脑是如何工作的基本原则。由转座子的许多基因,我们发现改变先前已被证明在一个广泛的行为中起着关键作用。人工诱导的基因变化,常常引起的转座的元素,可能会导致巨大的变化行为。”

为其他研究领域开发软件

在本文中,作者还指出,他们(的知识)第一个探索转座子的比例组成的表达式在体细胞exonized转座子碎片。

能够实现这样的深入分析研究由Treiber归因于新创建的软件工具。当被要求讨论的工具,他说,“全基因组测序实验与大多数高等生物生成数据关于“垃圾”DNA,但这些信息通常是废弃的。我们新的软件工具使我们能够“将来”这个“垃圾”和提取新的、有价值的数据。我们优化工具对果蝇的基因组但是可以很容易地将它们应用到数据从其他生物,包括人类。希望这些工具能激发许多新的研究项目,研究转座子和基因之间的相互作用。”

转座子插入功能的后果

这项工作积累的见解在单细胞水平肯定是有趣的神经生物学领域,但问题依然存在。Treiber识别研究的一个潜在的限制:“到目前为止,我们已经表明,转座子改变大脑的基因转录。我们量化这些修改版本的比率与改变的,发现他们占了很大一部分的记录。然而,在这一点上,现在还不确定这是否丰富也反映在细胞中蛋白质的池。”

transposon-altered基因的功能的后果将是下一个牛津大学的科学家所关注的焦点,在细胞和行为水平。“这是一个特别令人兴奋的路径探索,因为我们知道,转座子插入在人口高度可变。因此,转座子和基因之间的密切关系,我们在研究中描述可能导致一个令人兴奋的前景:“垃圾”DNA可能会扮演一个关键的角色在个人表现得异乎寻常,”Treiber总结道。

Christoph Treiber与莫莉坎贝尔说,科普作家、技术网络。188金宝搏备用

引用:

1。乔BS,崔党卫军。内含子:基因的内含子功能的好处。基因组学通知。2015;13 (4):112 - 118。doi: 10.5808 / GI.2015.13.4.112。

2。老鼠基因组测序协作组,沃森RH, Lindblad-Toh K, et al。最初的小鼠基因组测序和比较分析。自然。2002,420 (6915):520 - 562。doi: 10.1038 / nature01262。

3所示。SanMiguel P, Tikhonov, Jin Y-K et al .嵌套在玉米基因组的基因间区域反转位子活动。科学。1996,274 (5288):765。doi: 10.1126 / science.274.5288.765

4所示。Bourque G,伯恩斯KH,尹浩然,格林。你们应该知道的10件事转座的元素。基因组生物学。2018;19 (1):199。doi: 10.1186 / s13059 - 018 - 1577 - z。

5。Muotri AR、楚VT Marchetto m cn,邓W,莫兰合资,计跳频。躯体神经前体细胞由L1 retrotransposition镶嵌性。自然。2005,435 (7044):903 - 910。doi: 10.1038 / nature03663。

6。犬吠黄建忠、通C、津田h . 100年的果蝇研究及其对脊椎动物神经系统的影响:对未来的一个历史教训。Nat转速>。2010;11 (7):514 - 522。doi: 10.1038 / nrn2839。

7所示。Treiber CD, Waddell美国转座子表达式在果蝇大脑是由邻近基因和转录组的神经更加多元化。基因组研究。doi: 10.1101 / gr.259200.119。

8。4 r .诞生的新外显子:机制和进化的后果。核糖核酸。2007;13 (10):1603 - 1608。doi: 10.1261 / rna.682507。