美國研究團隊發現暗物質DNA會影響大腦發育

Diane E. Dickel et al., Ultraconserved enhancers are required for normal development, Cell, 2018.


【本刊訊】毫無功能性可言的基因難題──暗物質DNA(dark matters DNA)已困擾科學界甚久,此物質的DNA序列無法將蛋白質進行編碼,卻仍廣泛存於動物體內。透過移除這種超保守元素(ultraconserved elements, UCEs),美國科學家發現其序列會微微調整蛋白編碼基因的表達,並引領大腦發展路線,其研究結果於新一期Cell期刊刊出,有望協助學者了解阿茲海默症等神經疾患,並驗證超保守元素對生命重要性。

貝傑拉諾(Gill Bejerano)與他的團隊在比較人類與老鼠、老鼠與雞的基因組時,首先注意到超保守元素,並發現跨物種間有481條極其相似的DNA。令人訝異的是,DNA本來會隨世代而有所突變,但這些動物的譜系卻獨立演化逾2億年。基因在對蛋白質編碼時,傾向相對較少的突變,這是因為假使改變的發生影響相對應的蛋白質,動物可能會在複製程序之前死亡,而突變基因也無法傳給下一代。

透過這樣的邏輯推演,某些基因學家推測自然選擇可能未把保守區的突變納入考量,即使這個序列並會對蛋白進行編碼、科學家們仍相信這些基因仍無法「容忍」不完美的狀態。然而這樣的假說在2007年被打破,因其他研究將老鼠的4條超保守元素剔除後,卻發現老鼠仍能正常地進行複製。

後來,狄凱爾(Diane E. Dickel)與研究團隊利用基因編輯工具CRISPR-Cas9來重新審視這個問題。他們在位於大腦發育中重要基因的DNA區域內,一樣剔除或加入老鼠的4條超保守元素,這次老鼠看起來仍沒什麼問題,然在對老鼠大腦進行切片時發現異常。缺乏某些超保守序列的老鼠,其大腦細胞異常地少,就好像阿茲海默的病程一般;而擁有其他超保守序列的老鼠,在掌管記憶形成的前腦發生異常,類似癲癇。

狄凱爾推測,由於這種超保守元素的變異會使老鼠的認知產生缺陷,因此,這些超保守區域並不會隨意散播,一旦這麼做、生物將無法繁衍下去。未來,即使對該物質的功能所知甚少,團隊仍將針對阿茲海默症、失智症、癲癇或其他神經疾患的突變狀況,研究其與超保守元素間的關係。

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