我们找到了基因调控语法的罗塞塔石碑

早在1975年,生物学家就发现,黑猩猩与人类的基因组,相同部分占99%以上。然而,黑猩猩和人类直观看去就明显不一样。

为什么?

答案在于这样一个事实,即DNA更像是编程语言里的函数,大多数生物都加载同一套函数包,但调用方式和具体输入的参数各不相同。它们可以随时间打开或关闭,也可以向上或向下继承,并且以复杂的方式彼此交互。一些基因编码产生特定蛋白质的指令,而另一些编码调节其他基因的指令传递。

现在,生物学与生物物理学教授罗伯·菲利普斯的实验室开发了一种新工具,用于确定普通细菌中各种基因的调控方式。

尽管大肠杆菌已经在生物学和生物工程领域用作模型生物数十年,但研究人员只了解约35%的基因的调控功能。菲利普斯实验室阐明了近100种以前未表征的基因是如何受到调控的,并为解码其它基因奠定了基础。

关于新技术的论文发表在eLife上。

想象一下,我们尝试学习某种新语言,但无法理解单个单词的含义或语法规则,尽管新语言里的每个单词都由26个英文字母构成。这类似于现代基因组学时代生物学家所面临的挑战:现在对生物体的基因组进行测序是快速而直接的,但是实际上每个基因的功能和调控方式,我们却所知不多——而这一部分无疑是最重要的。如果我们弄清了新语言的词义和语法,就能尝试写出自己的句子。

菲利普斯说:“我们已经开发出通用工具,研究人员几乎可以用在任何微生物上。”

本质上,基因组也会出现“印刷错误”,所以我们可以观察到错误对细胞功能的影响。如果单词“walk”中的字母“k”被替换为字母“x”得到“walx”,因为新单词无意义,所以无法被表达。这样就能把未表达的性状和基因“walk”的功能联系起来。但是,如果字母“w”被替换为“t”,得到了有意义的“talk”,情况就变得复杂了。

本质上,菲利普斯实验室开发出的工具,就是通过上述替换,逐一厘清基因组和被调控性状直接的关系。

在实验过程里,菲利普斯和同事首先测试打开和关闭20个特定的大肠杆菌基因——它们的功能早已人所共知。他们的方法正确地表征了这20个基因。接下来,实验团队继续分析了另外80个尚不为人所知的基因。

目前,该方法仅适用于细菌细胞,但菲利普斯认为能够升级版本,最终用于更复杂的真核细胞(如人体细胞)。

“这是受到了NIH先锋奖表彰的的长达十年的科研项目,需要持续的努力和资金。需要耐心,不是短期出结果那种。”

原文:https://phys.org/news/2020-10-genomic-rosetta-stone-gene.html

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