PNAS:遗传之谜告破，生物万象皆将有据可循

The circular E. coli genome. Sets of genes, or operons, which lack regulatory understanding are shown in red. Though E. coli is the most well-studied organism on the planet, scientists do not understand the regulatory mechanisms of 67 percent of E. coli's genes. Credit: Courtesy of the Phillips laboratory

　　近日，来自加州理工学院的一项最新研究发现了一种新的技术可帮助破解DNA中被称为“非编码DNA序列”的某些神秘区域的编码。这些不为人所知的区域中的许多突变与人类等生物体的疾病有关，因此了解非编码DNA的功能至关重要。

　　相关研究于5月4日由Rob Phillips教授为主要作者以“Systematic approach for dissecting the molecular mechanisms of transcriptional regulation in bacteria”为题发表在《PNAS》杂志上。

https://doi.org/10.1073/pnas.1722055115

　　人类的细胞丰富多样——包括肌肉细胞、神经元、光感受器、血细胞等等。它们都有着相同的DNA，那么它们各自的功能为何如此不同呢？答案在于基因可以在不同的组织中以不同的方式进行调节（开启或关闭、向上拨动和向下拨动）。而迄今为止，还没有一个通用的原则来帮助我们理解这个规则是如何被编码的。

　　在基因组中，被研究最充分的部分是编码区（即编码蛋白质的基因，这些基因使细胞能够发挥作用），然而，大肠杆菌（ Escherichia coli ，E. coli ）中超过50 %的基因具有非编码区，其功能仍然是完全神秘的。

　　在这项新工作中，第一作者 Nathan Belliveau应用了一种被称为Sort-Seq的方法来突变大肠杆菌中的小块非编码区，并确定哪些区域含有结合位点（结合位点是参与转录（基因表达过程的第一步）的特殊蛋白亦即附着于DNA的位置）。

　　首先，研究人员将他们想了解的非编码DNA的潜在有趣部分剔除。为此，他们将编码绿色荧光蛋白( GFP )的DNA连接到这些基因上。然后，将每个小的工程DNA片段放入单独的大肠杆菌中，使其产生这些绿色蛋白质。

　　当Belliveau随机突变部分未知区域时，他注意到在一些细菌中产生的GFP的量发生了可观察到的变化，这表明突变的DNA正在改变基因表达水平。通过DNA测序，研究人员能够精确定位这些重要突变的确切位置，并利用这些信息识别新的结合位点。

　　Phillips给出了一个文学类比：“这就好像我翻阅了一本书，然后从单词中随机抽取10%的字母并对其进行修改。如果‘walk’的第一个字母变成T，该词就变为 ‘talk’，单词意思就完全改变——你的理解也会相应发生变化。同样，我们想知道的是，基因组的哪些部分对细胞理解的影响最大”。

　　在检查了许多非编码区域以确定结合位点后，团队的目标是匹配与该区域对应的蛋白质的区域。

　　“这简直如同大海捞针。大肠杆菌中大约有300万个蛋白质，可能有10个拷贝的特定蛋白质对应于给定的结合位点，即要在30万个蛋白质中找出一个蛋白质。”Phillips说。

　　Belliveau发明了一种找到这种“针”的方法:他取出一段含有一个结合位点的非编码DNA，将大肠杆菌细胞的内容物倒在该DNA上，然后鉴定出粘在该位点上的蛋白质。

　　“这项工作表明，我们可以用我们的方法对非编码DNA从一无所知到知之甚少直至走向真正理解，下一步是尝试扩大规模，使我们能够追踪整个基因组。”Belliveau总结道。