清華大學(xué)生命學(xué)院高冠軍課題組發(fā)現(xiàn)大量基因組非編碼RNA功能性證據(jù)
清華新聞網(wǎng)9月8日電 傳統(tǒng)研究認(rèn)為，人類所有的生命活動是由約2~3萬個蛋白質(zhì)編碼基因所支配（約占人類基因組2%）。而超過95%的人類基因組并不編碼蛋白質(zhì)基因，而是構(gòu)成了遺傳物質(zhì)中的“垃圾”——非編碼RNA。這些數(shù)目龐大的非編碼RNA由于既不編碼蛋白質(zhì)，又缺乏生物學(xué)功能的遺傳學(xué)證據(jù)，一直被很多科學(xué)家認(rèn)為是真核生物基因組進化中無用的信息。
2016年9月1日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高冠軍實驗室在國際著名期刊《基因組研究》（Genome Research）正式刊發(fā)題為《長非編碼RNA在果蠅精子發(fā)生中的重要作用》（Critical roles of long noncoding RNAs in Drosophila spermatogenesis）的研究論文（Research Article）。該課題組將優(yōu)化后的CRISPR（clustered regularly interspaced short palindromic repeat sequences，成簇的規(guī)律性間隔短回文重復(fù)序列）基因編輯技術(shù)運用于長鏈非編碼RNA（lncRNA）活體功能研究領(lǐng)域，以基因組強凈化的遺傳學(xué)鼻祖模式生物——果蠅為代表，通過高通量遺傳動物模型的建立，系統(tǒng)闡述了lncRNA在精子發(fā)生過程中的重要作用，為揭示“非編碼lncRNA”具有重要生物學(xué)功能提供了有力的遺傳學(xué)證據(jù)。
lncRNA突變導(dǎo)致精子發(fā)育異常及l(fā)ncRNA可能的作用模型。
本世紀(jì)初，伴隨高通量測序技術(shù)發(fā)展，構(gòu)成真核生物基因組中的大量非編碼lncRNA被鑒定出來，且在睪丸和腦組織中呈現(xiàn)高度特異性表達，暗示lncRNA的功能機制在精子發(fā)生與神經(jīng)調(diào)控兩個基礎(chǔ)生命學(xué)過程具有代表性。該研究小組選擇基因強凈化的模式生物果蠅，系統(tǒng)性鑒定了128個睪丸幾乎所有特異性表達的lncRNA。并運用優(yōu)化后的CRISPR技術(shù)建立了105個lncRNA基因敲除突變體。通過對突變體雄性果蠅育性測試、精子發(fā)生、發(fā)育、活力及核形態(tài)等進行觀察分析，發(fā)現(xiàn)近1/3的lncRNA基因的缺失會導(dǎo)致精子發(fā)育異常甚至完全不育。部分測試的lncRNAs敲除果蠅均可通過易位轉(zhuǎn)基因得以完全或部分修復(fù)，表明這些lncRNAs主要以反式（trans）發(fā)揮作用。基因表達譜顯示，大部分功能性lncRNAs在精子發(fā)生中調(diào)控全局基因的表達。進化分析表明，與編碼基因相比，lncRNAs演化更快，且具有更大功能重要性的lncRNAs具有較高的序列保守性，暗示它們處于不斷的進化選擇之下。另外，與蛋白編碼基因的開關(guān)調(diào)控作用不同，lncRNA可能多通過微調(diào)（fine-tune）的方式調(diào)控全局基因表達，精心策劃雄性生殖細(xì)胞分化發(fā)育。總之，該研究彌補了大量功能性lncRNA在動物活體水平所缺乏遺傳學(xué)證據(jù)的空白，開啟了lncRNA所傳遞的生命信息研究的大門。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院高冠軍研究員為本文的通訊作者；清華大學(xué)生命學(xué)院2011級PTN（北京大學(xué)、清華大學(xué)和北京生命科學(xué)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生項目）博士生文可佳，2013級博士生楊麗娟和生命學(xué)院博士后熊團林為本文的共同第一作者。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張強鋒研究員和魯志研究員合作參與了該課題。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會和清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的經(jīng)費支持。
高冠軍課題組是世界上最早探索CRISPR基因編輯技術(shù)的幾個實驗室之一，曾于2013年初和2014年分別在國際遺傳學(xué)經(jīng)典期刊《遺傳學(xué)》（Genetics）和《G3：基因|基因組學(xué)|遺傳學(xué)》（G3：Genes|Genomes|Genetics）連續(xù)發(fā)表了一系列方法學(xué)論文，引用達200多次；建立的基因編輯方法及相應(yīng)的配套試劑已廣泛被世界上很多實驗室使用。作者曾出任2015年國際果蠅大會（美國）·果蠅生物技術(shù)與資源分會共同主席。實驗室主要運用遺傳學(xué)方法建立的動物模型，系統(tǒng)的研究染色質(zhì)表觀遺傳因子（如非編碼RNA及組蛋白修飾等）在發(fā)育與疾病方面的作用機制。研究成果多次發(fā)表在《自然》（Nature）、《美國科學(xué)院報》（PNAS）、《遺傳學(xué)》《G3：基因|基因組學(xué)|遺傳學(xué)》（G3：Genes|Genomes|Genetics）和《歐洲分子生物學(xué)學(xué)會雜志》（EMBO J）等國際知名學(xué)術(shù)期刊。
原文鏈接：http://genome.cshlp.org/content/26/9/1233.abstract
相關(guān)論文鏈接：
http://www.genetics.org/content/195/1/289.long
http://www.g3journal.org/content/4/5/925.long
http://www.g3journal.org/content/4/11/2167.long
供稿：生命學(xué)院 編輯：李華山
