对北极鱼类的研究揭示了一种基因的诞生

虽然被海洋世界隔开，彼此无关，但两个鱼群 - 一个在北极，另一个在南极 - 共享一个令人惊讶的生存策略：它们都已经进化出生产相同特殊品牌的抗冻蛋白的能力在他们的组织中。一项新的研究在分子细节中描述了北极鱼是如何从非编码DNA的微小碎片中构建抗冻基因的基因，这些区域曾被认为是“垃圾DNA”。

该研究结果发表在“ 美国国家科学院院刊”上。“多年前，我们发现了南极鳕鱼鱼类中的抗冻糖蛋白是如何进化的，我们知道北极鳕鱼的进化形式是相同的 - 但不是同样的，”伊利诺伊大学动物生物学教授Christina Cheng说。与研究生宣壮。“但鳕鱼独立地如何做到这一点仍然是一个持久的难题。”

为了解决这个难题，Cheng和她的同事们搜索了鱼类和其他脊椎动物基因组中的一个基因，这个基因可能是鳕鱼抗冻基因的祖先前体。它们是空的，所以他们决定比较那些产生和不产生抗冻蛋白的鳕鱼的基因组，看看这两个谱系是如何不同的。研究人员在非编码DNA区域发现了抗冻基因的祖先，正如其名称所暗示的那样，它并不编码可行的蛋白质。

“在这次发现之后的许多年里，我认为没有人会相信我，因为当时流行的心态是新基因必须从已有的蛋白质编码基因祖先进化而来，”Cheng说。最终，研究人员将鳕鱼抗冻基因的起源细节拼凑在一起。“这些鱼类在冰冷的北极水域生活的发展是由于一系列看似不太可能，偶然发生的事件造成的，”郑说。

Cheng说，不仅任何随机的DNA序列都能产生可行的蛋白质，更不用说像抗冻蛋白这样的救生蛋白。即使原始序列包含允许其从DNA转录到RNA的构建块的正确顺序 - 构建蛋白质的第一步 - 仍然存在几个障碍。特定序列决定基因是否以及如何转录成RNA，如何编辑它们以及它们是否从RNA翻译成蛋白质。

对于像鳕鱼中的抗冻蛋白这样的分泌蛋白质，需要特定的“信号序列”来正确处理最终蛋白质并将其从细胞中移出并进入血流。

研究发现，鳕鱼抗冻蛋白基因是由于几种分子事件而组装而成的。从一开始，一小部分非编码DNA由9个构成核苷酸的构建块组成，经历了多次重复，产生了更长的重复序列。这些代码用于重复三个氨基酸系列：苏氨酸 - 丙氨酸 - 丙氨酸。这些氨基酸重复具有恰当的化学特性，可与血液中的冰晶结合，防止晶体生长。

庄说，在进化的基因序列中发生了其他几个偶然发生的事件。在基因从DNA转录为RNA后，以正确的方式编辑的一点DNA包括标记蛋白质以从细胞输出的序列。随机的单核苷酸缺失改变了基因的翻译方式，将分泌信号与抗冻重复区域联系起来，使它们成为同一基因的一部分。

而且，不知何故，该基因也获得了适当的控制序列，可以将新基因转录成RNA。该转录信号可能已经从基因组的其他地方插入。或者，庄说，基因的其余部分可能已经从其原始位置徘徊到含有转录信号的位置。这种DNA“易位”事件在整个基因组中是常见的。

Cheng说，这些研究结果为细胞如何从头开发“一种新的功能基因”提供了新的见解。“进化并不那么有效，”她说。“这是一种制作方式。”

的细胞机器似乎不断起动的是，可以或可以不用于功能性蛋白编码DNA序列的转录。“这个过程似乎很浪费，但细胞可以回收那些不习惯的RNA，”Cheng说。

她说，只有当RNA转录本中还含有某些其他序列时，它才会转化为蛋白质。如果该蛋白质恰好给予生物体一个优势 - 确保其在冰冷的北极水域中存活 - 例如相应的DNA序列在基因组中变得“固定”。只有在基因组中具有该序列的个体才会在环境中持续存在并传递新的特征。“经过多年的研究，我们终于明白了鳕鱼抗冻基因的诞生，”程说。“这篇论文解释了北方鳕鱼中的抗冻蛋白是如何进化的。它是一种比南极版本更具吸引力的机制，它涉及一种已存在的基因。”