對(duì)于動(dòng)植物的DNA來(lái)說(shuō),僅有不到5%能夠翻譯成蛋白質(zhì),進(jìn)行生命活動(dòng)。而大部分DNA轉(zhuǎn)錄成RNA之后,便不再繼續(xù)翻譯,這些非編碼RNA一度被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄中的“噪音”“暗物質(zhì)”, 甚至有人認(rèn)為這是“垃圾DNA”。
近十年來(lái),隨著探索未知的技術(shù)的進(jìn)步,這些所謂“垃圾DNA”的重要性才開(kāi)始為人們所了解。
近日,來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱農(nóng)科院作科所),水稻優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團(tuán)隊(duì)等研究人員利用全基因組分析的手段,對(duì)水稻及其近緣野生種基因組中的“垃圾DNA”進(jìn)行注釋。結(jié)果發(fā)現(xiàn),有些被稱做“垃圾DNA”的變異與水稻淀粉含量、籽粒大小等重要農(nóng)藝性狀的多樣性相關(guān)。其研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。
“垃圾DNA”絕非垃圾
分子生物學(xué)的中心法則描述了遺傳信息的傳遞方向,即DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA,mRNA利用所攜帶的遺傳信息指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。中心法則認(rèn)為,蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。
隨著大量生物全基因組測(cè)序的完成,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)生物基因組中90%以上的DNA不編碼任何蛋白質(zhì),于是將其劃入了垃圾行列。
后來(lái)科學(xué)家又發(fā)現(xiàn),人類編碼蛋白的基因數(shù)量跟蠕蟲(chóng)的幾乎相同,所以僅靠編碼區(qū)的DNA差異,沒(méi)法解釋人與其他生物的差異。
而所謂的“垃圾DNA”才是唯一隨著生物復(fù)雜性增加而數(shù)量增加的基因組區(qū)域。同時(shí),科學(xué)家發(fā)現(xiàn),“垃圾DNA”對(duì)人體的影響作用滲透到了遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的方方面面,從罕見(jiàn)的遺傳疾病到唐氏綜合征,從常見(jiàn)的病毒感染到衰老過(guò)程等,都與其脫離不了干系。對(duì)這些非編碼DNA的研究,宣示著新一輪基因功能研究革新時(shí)代的到來(lái)。
該論文第一作者、農(nóng)科院作物所副研究員鄭曉明介紹,非編碼DNA對(duì)動(dòng)物體的影響作用研究已有很多,但大家對(duì)其在植物中發(fā)揮的作用知之甚少。
“在水稻基因組中,目前已克隆的影響水稻形態(tài)性狀的基因位點(diǎn)大概有3000多個(gè),99%以上的基因位點(diǎn)都是蛋白質(zhì)編碼區(qū)。但是,借助于全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù),我們發(fā)現(xiàn),跟水稻形態(tài)、性狀的多樣性相關(guān)的變異大部分集中在非編碼區(qū)。”鄭曉明告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。
“盡管科學(xué)家們對(duì)作物馴化進(jìn)行了近20年的基因組學(xué)研究,但我們對(duì)大多數(shù)作物在馴化過(guò)程中發(fā)生形態(tài)性狀改變的遺傳基礎(chǔ)卻不了解。”該論文另一作者、美國(guó)華盛頓大學(xué)圣路易斯教授Kenneth M.Olsen說(shuō)。
神通廣大的非編碼DNA
基于非編碼DNA區(qū)域在組織中表達(dá)量低、保守性差,用于探索其功能的手段比較落后等原因,對(duì)其研究一直落后于對(duì)編碼區(qū)DNA的研究。
“隨著基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,我們可以利用去核糖體RNA測(cè)序的方法,更精確、廣泛得到組織中表達(dá)的DNA區(qū)域。”鄭曉明說(shuō),“從野生稻到現(xiàn)在食用的水稻,僅經(jīng)過(guò)了一萬(wàn)多年的人工馴化、改良,其株型、穗型、粒型以及種皮顏色等都發(fā)生了巨大的變化。在此過(guò)程中,累積的突變、重組次數(shù)少,所以噪音小,水稻及其近緣野生種是適合進(jìn)行非編碼DNA的研究體系。”
她所在的團(tuán)隊(duì)致力于水稻及其近緣野生種的種質(zhì)資源收集和研究工作,一直以來(lái),積累了豐富的水稻及其近緣野生種的研究材料。
他們首先對(duì)水稻及其近緣野生種進(jìn)行了全鏈特異性轉(zhuǎn)錄組測(cè)序,鑒定了3363個(gè)長(zhǎng)鏈非編碼RNA。結(jié)合多組學(xué)深入分析表明,下調(diào)的長(zhǎng)鏈非編碼RNA受到人工選擇,并與碳固定和碳水化合物代謝相關(guān)。
研究人員又進(jìn)一步利用轉(zhuǎn)基因實(shí)驗(yàn)和群體遺傳分析證實(shí),長(zhǎng)鏈非編碼RNA表達(dá)水平的差異直接導(dǎo)致了水稻馴化過(guò)程中多個(gè)籽粒性狀的變異。
性狀變異研究的新思路
“這項(xiàng)研究首次從全基因組水平對(duì)水稻及其祖先種的長(zhǎng)鏈非編碼RNA結(jié)構(gòu)、表達(dá)模式、分子機(jī)制和進(jìn)化歷史進(jìn)行深入研究,揭示了長(zhǎng)鏈非編碼RNA調(diào)控水稻重要農(nóng)藝性狀變異的分子機(jī)制,為水稻農(nóng)藝性狀變異研究提供了新思路,可為水稻全基因組設(shè)計(jì)育種提供路線圖,對(duì)水稻遺傳改良具有重要的指導(dǎo)意義。”該論文通訊作者、農(nóng)科院作科所研究員楊慶文說(shuō)。
張學(xué)勇是作科所小麥基因資源課題組研究員,他認(rèn)為,鄭曉明等人發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)鏈非編碼RNA對(duì)于水稻生長(zhǎng)全過(guò)程的調(diào)控作用,這具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性。
“這給今后人為控制DNA轉(zhuǎn)錄量,進(jìn)而改變性狀提供了一種可能性。比如,對(duì)于患有糖尿病、尿毒癥等疾病的人來(lái)說(shuō),如果能降低水稻中的淀粉含量,就不必禁食大米。”張學(xué)勇說(shuō),“同時(shí),這項(xiàng)研究也給做其他谷物研究的人提供了一個(gè)新視角。既然在水稻中有這樣的調(diào)控系統(tǒng),那在小麥、玉米、高粱等作物中,會(huì)不會(huì)也存在呢?這需要進(jìn)一步的研究。”
相關(guān)論文信息:
http://doi.org/10.1126/sciadv.aax3619
(單位:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所 )