科學家驚爆：“自私 DNA”關乎人類早期發育

西奈健康研究人員發現，人類早期發育的一個關鍵轉變並非由我們自身的基因所調控，而是受被稱爲轉座子的 DNA 元素調控，這些元素可以在基因組中移動。

這一非凡的發現挑戰了我們此前對這些難以捉摸的 DNA 片段的理解，爲其在人類發育和疾病中所起的作用帶來新的啓示。

“人們往往認爲轉座子類似於病毒，它們劫持我們的細胞僅僅是爲了自我繁殖，”該研究的資深合著者、西奈健康旗下盧嫩菲爾德-塔南鮑姆研究所（LTRI）的高級研究員、多倫多大學分子遺傳學系教授米格爾·拉馬略-桑托斯博士說。

“但在這裡，我們發現這些元素並非僅僅是基因組寄生蟲，而是早期發育所必需的元素，”擁有加拿大 150 發育表觀遺傳學研究主席職位的拉馬略-桑托斯博士說。

他們的研究發表在《發育細胞》雜誌上，表明轉座元件對於確保人類胚胎細胞在早期發育過程中正常進展而非倒退至關重要。

研究人員重點關注了名爲 LINE-1 的轉座元件，也就是長散在覈元件-1。

我們自身的基因在我們的基因組中所佔比例不到 2%，與之不同的是，LINE-1 元件在我們細胞的遺傳物質中佔比竟高達 20%，這一比例令人震驚。

一些 LINE-1 元件能夠擴增，還能在基因組中移動，並插入新的位置。

由於它們以一種可能會破壞正常基因功能的方式自行傳播，所以它們獲得了“自私 DNA”的稱號。

多年來，科學家們覺得這些元件大多有害，偶爾還會在基因組中造成嚴重破壞，進而導致從血友病到神經障礙以及癌症等各種各樣的疾病。

領導這項研究的高級合著者兼博士後研究員胡安·張博士最初發現，LINE-1 的 RNA 信息在早期胚胎中大量存在，這十分有趣。

RNA 信息分子是從活躍的基因組部分轉錄而來的，這表明 LINE-1 元件在這些關鍵的早期階段處於激活狀態。

“如果轉座子是有害且危險的，那爲什麼我們會看到它們在早期胚胎中活躍存在？這是一個剛剛開始形成的胚胎。在這個時候，任何危險的基因插入都會在個體的其餘發育過程中延續，”張博士說。

當張博士抑制培養的人類胚胎幹細胞（ESCs）中的 LINE-1 表達時，出現逆轉，讓其回到更原始的 8 細胞階段。在這個階段，八個細胞中的每一個都是相同的且全能的，能夠發育成胚胎和胎盤。然而，超過這個階段，雖然胚胎幹細胞仍然可以形成所有的胎兒細胞，但它們對胎盤的貢獻程度逐漸降低，胚胎通過胎盤從母親那裡獲得營養。

進一步的實驗表明，這些 LINE-1 信使分子充當起支架的作用，在細胞細胞核的 3D 空間中組織 DNA。它們幫助將 19 號染色體——8 細胞階段關鍵基因的所在之處——移動到細胞核的基因沉默區域，確保胚胎能夠順利進入後續階段。

“我們表明，LINE-1 在胚胎開始讓細胞專門服務於各種功能的關鍵的轉折節點調節基因表達。我們的結果表明，這不是偶然發生的，而是一個重要的進化機制，”張博士說。

讓人更爲驚訝的是，LINE-1 元素的這一新作用偏離了其跳到新基因組位置進而可能引發有害突變的典型行爲。相反，在這種關鍵情況下，LINE-1 元素專門推動發育進程，這一獨特的作用突顯了它們在人類早期生長中的重要性。

這項基礎性研究對於生育治療以及再生醫學中幹細胞的運用具有重要意義。此外，這項工作揭示了 LINE1 的新作用，如今能夠在與其相關的疾病情境中加以探索，涵蓋從神經系統疾病到癌症。

西奈健康 LTRI 主任兼研究副總裁的安妮-克洛德·金格拉斯博士說道：“這項研究凸顯出我們還有諸多需要學習的內容，不僅是有關人類發育方面，還有這些神秘的基因組元素，它們的作用纔剛剛嶄露頭角。

“我祝賀我的同事們在人類生物學領域取得了這一迷人的新見解，我熱切期盼着他們繼續工作時能有更多的發現。”