开创性技术揭示了人类基因调控的新层面

一项新的研究表明，一种技术首次可以确定任何物种的遗传物质(基因组)中被称为“回溯”的分子事件发生的频率和准确位置显示。

该研究结果于 2 月 9 日在线发表在《分子细胞》杂志上，支持这样的理论：回溯代表了一种广泛的基因调控形式，它影响着数千个人类基因，其中包括许多涉及细胞分裂和子宫发育等基本生命过程的基因。

这项工作由纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员领导，围绕基因展开，即按一定顺序(序列)排列的 DNA 分子“字母”片段，以编码大多数生物体的蓝图。在人类和细菌中，基因表达(即转录)的第一步是由称为 RNA 聚合酶 II 的蛋白质“机器”沿着 DNA 链向下移动，朝一个方向读取遗传指令。

1997 年，Evgeny Nudler博士及其同事发表了一篇论文，表明 RNA 聚合酶有时会沿着其正在读取的链向后滑动，他们将这种现象称为“回溯”。此后的研究表明，在RNA聚合酶开始RNA合成后不久，或者当它遇到受损的DNA以便为传入的修复酶腾出空间时，活细胞中偶尔会发生回溯。随后的研究表明，倒退和修复机制必须快速发挥作用并消散，否则它可能会与 DNA 聚合酶碰撞，导致 DNA 链断裂，从而导致细胞死亡。

现在，纽约大学朗格健康中心的 Nudler 团队领导的一项新研究表明，他们的新技术长程裂解测序 (LORAX-seq) 可以直接检测回溯事件的开始和结束位置。通过补充过去间接或有限的方法，新方法揭示了许多此类事件比以前想象的向后退得更远，并且持续时间更长。结果还表明，持续回溯在整个基因组中频繁发生，在某些基因类型附近更常见，并且具有远远超出 DNA 修复的功能。

该研究的资深作者、生物化学和分子系的朱莉·威尔逊·安德森教授纳德勒说：“较长距离回溯的令人惊讶的稳定性使其很可能代表从细菌到人类的物种中普遍存在的遗传调控形式。”纽约大学朗格尼分校药理学。“如果进一步的工作将我们的发现扩展到不同的发育程序和病理条件，回溯可能类似于表观遗传学，其发现揭示了令人惊讶的新基因调控层，而无需改变 DNA 密码。”

生活的中心?

RNA 聚合酶 II 将 DNA 代码翻译成一种称为 RNA 的相关材料，然后指导蛋白质的构建。为了做到这一点，复合体沿着 DNA 链向一个方向移动，但在某些情况下会回溯。过去的研究表明，当 RNA 聚合酶 II 回溯时，它会将基于 DNA 密码构建的 RNA 链的尖端从其内部通道中挤出(挤出)。由于长时间的回溯很容易引起有害的碰撞，因此转录被认为可以通过转录因子 IIS (TFIIS) 快速恢复，从而促进挤出的“回溯”RNA 的切断(切割)。这为 RNA 聚合酶 II 恢复正向代码读取扫清了道路。

然而，其他早期研究表明，当聚合酶回溯超过一定距离(例如 20 个核碱基 DNA 构建块)时，回溯的 RNA 可以附着在其挤出的通道上，从而将其保持在原位的时间更长。锁定的回溯复合物不太可能被 TFIIS 驱动的切割所拯救，并且更有可能延迟相关基因的转录。这引发了这样的理论：回溯除了在 DNA 修复途径中发挥关键作用之外，还可能作为主要的调控机制来增强或减弱基因的作用。

研究人员表示，TFIIS 可能以低浓度存在于活细胞中，并与数百种其他蛋白质竞争以获取并切除回溯的 RNA，以便转录能够继续。在当前的研究中，研究小组使用高浓度的纯化 TFIIS(无竞争蛋白)来精确切除细胞遗传密码中任何位置的任何回溯 RNA 片段。这使得剪切片段可用于读取代码序列并提供其位置和功能线索的技术。

研究小组还发现，控制组蛋白的基因——DNA链缠绕在组织基因表达的染色质内的蛋白质“线轴”——很容易出现持续的回溯。作者推测，这种情况发生的程度以及某些基因转录的相关变化，可能会控制细胞分裂过程中重建染色质所需的大规模组蛋白积累的时间。他们还表明，持续的回溯可能会影响对组织发育至关重要的基因的及时转录。

“除了其潜在的有用功能之外，持续的回溯还可能导致 DNA 损伤和其他导致疾病的基因故障，”该研究的第一作者、Nudler 博士实验室的研究生Kevin Yang说。“例如，我们推测，在衰老或癌症的背景下测量回溯可能有助于我们理解为什么细胞应激反应和细胞复制会出现故障，并提出新的治疗方法。”