“跳跃基因”在进化过程中反复形成新的基因

一项名为“通过转座酶捕获脊椎动物转录因子的复发进化”的研究发表在2月19日科学，研究了被称为转座子或“跳跃基因”的遗传元素如何在进化过程中加入到混合中，通过外显子洗牌来组装新基因。

转座子，第一次发现在20世纪40年代康奈尔明矾和诺贝尔奖得主芭芭拉麦克林托克'23，硕士”25日,博士。’27个基因是基因组中丰富的组成部分——它们构成了人类DNA的一半——并且有能力在基因组中跳跃和自我复制。一些转座子包含它们自己的基因，这些基因编码一种叫做转座子蛋白的酶，这种酶可以将遗传物质从一个染色体位置剪切粘贴到另一个染色体位置。

这项研究的重点是四足动物(四肢脊椎动物)，它很重要，因为它表明转座子在进化过程中代表着新基因创造的重要力量。这项工作还解释了对人类发育至关重要的基因是如何诞生的。

“我们认为这种机制很可能超越脊椎动物，更可能是一种发生在非脊椎动物身上的基本机制。”第一作者雷切尔·科斯比博士说。19年，美国国立卫生研究院博士后研究员。考斯比是农业与生命科学学院分子生物学和遗传学系教授、资深作者塞德里克·费肖特实验室的前研究生。

“你以一种不同的方式放入砖块，你建造了一个全新的东西，费肖特说。我们正在研究基因是如何产生的问题。其独创性在于，我们正在研究转座子在创造进化中具有新功能的蛋白质中的作用”。

在这项研究中，研究人员首先挖掘了现有的四足动物基因组数据库，因为已经对500多个物种的基因组进行了完全测序。考斯比和同事们寻找已知的DNA序列的组合，这些组合具有转座子与宿主序列融合的特征，以找到好的研究对象。然后，他们选择了进化相对较近的基因——在数千万年前——这样他们就可以通过脊椎动物的生命树来追踪基因的发展历史。

尽管与这些转座酶融合的基因相对罕见，但研究人员发现它们遍布脊椎动物的生命树。研究人员发现，在过去3.5亿年间，不同物种谱系中诞生的100多个不同的基因与转座酶融合在一起，包括鸟类、爬行动物、青蛙、蝙蝠和考拉的基因，以及人类基因组中以这种方式诞生的44个基因。

考斯比和同事选择了四个最近进化的基因，并在细胞培养中进行了广泛的实验，以了解它们的功能。他们发现来自这些基因的蛋白质能够与特定的DNA序列结合，并关闭基因表达。这些基因被称为转录因子，并作为发育和基本生理的主要调节基因。PAX6基因在所有动物眼睛的形成中扮演着重要的调节因子，并且在整个进化过程中高度保守。

＂如果你把老鼠身上的PAX6基因植入果蝇体内，它就会起作用，费肖特说。虽然之前也有人提出PAX6来源于转座酶融合，但本研究的研究人员进一步验证了这一假设。

考斯比和同事从蝙蝠中分离出一种最近进化的基因，称为KRABINER，然后使用CRISPR基因编辑技术将其从蝙蝠基因组中删除，并查看哪些基因受到了影响，然后再将其添加回去。实验表明，当KRABINER被移除时，数百个基因被失调，当他们恢复它时，正常的功能又恢复了。科斯比说，KRABINER基因表达的蛋白质与蝙蝠基因组中其他相关的转座子结合。

“实验表明，它控制着一个由其他基因组成的大型网络，这些基因通过过去在蝙蝠基因组中分散的相关转座子连接起来——不仅创造了一个基因，而且创造了一个被称为基因调节网络的网络。”Feschotte说。

现任和前任Feschotte实验室成员Julius Judd, 20岁的张瑞玲，19岁的Alan Zhong, 21岁的Nathaniel Garry和合作者Ellen Pritham是这篇论文的共同作者。

这项研究由美国国立卫生研究院资助。