酵母内含子的新作用 帮助细胞应对压力

[R esearchers长期困惑的为什么许多真核生物蛋白质编码基因与那些没有明显的生物学功能的非编码DNA的片段穿插。这些所谓的内含子通常在转录和翻译之间从它们的原始序列剪接出来并在蛋白质产生之前迅速被破坏。今天(1月16日)在Nature上发表的两项研究现在揭示了内含子的意外作用，至少在酵母中是这样：它们中的许多在剪接后很长一段时间留在细胞中，并在压力条件下调节细胞生长中起重要作用。

伦敦大学学院的遗传学家JürgBähler评论说：“我发现它非常令人惊讶和令人兴奋，像内含子这种通常被认为是废物的东西 - 在饥饿等某些生理条件下可以起到如此巨大的调节作用” 。谁没有参与任何一项研究。

自1977年内含子的发现以来，研究人员提出了几种理论存在的原因：例如，它们可能通过延迟将DNA转化为蛋白质所需的时间来调节基因表达。内含子还允许选择性剪接，这是一种允许核糖体从单个基因组装多种不同蛋白质的过程。但是，加拿大舍布鲁克大学的遗传学家Sherif Abou Elela说，人们总是认为内含子是垃圾DNA 。

内含子在酵母中的功能的发现是由Elela的团队和另一个研究小组通过不同的方法独立完成的。在一项研究中，由生物学家大卫·巴特尔率领的马萨诸塞州怀特黑德生物医学研究所的研究人员偶然发现了这一发现：在一项无关的研究中，Bartel的前博士生Jeffrey Morgan现在是Jared Rutter大学实验室的博士后。犹他州通过酵母细胞中的RNA测序检测到许多内含子区段，这些细胞悬浮在细胞生长减少的阶段。这表明内含子在细胞中积累，而不是降解。

经过进一步调查，研究小组发现了34个内含子 - 大约11%的酵母内含子 - 看起来非常稳定并且在剪接体复合物周围徘徊，剪接体复合物是负责从前信使RNA中切除内含子的细胞机器。“看起来他们仍然与这些剪接体组件中的一些相关联，这可以防止它们降级，”Bartel解释说，尽管他不确定如何。

如果酵母可能是唯一可用于这些切除内含子的物种，我们会感到惊讶。

- 怀特黑德生物医学研究所大卫巴特尔

为了评估这些异常稳定的内含子的潜在生物学作用，研究小组使用CRISPR从酵母基因组中删除了少数几个，并通过将它们一起培养来比较改变细胞与正常细胞的生长。与野生型细胞相比，改变的细胞蓬勃发展，当它们都获得丰富的营养资源时，但不是在非常有限的资源下。相比之下，当食物稀缺时，野生型细胞繁殖，但是当有更多的东西可以到处时，它们就会繁殖。Bartel说，显然，“这些稳定的内含子可以帮助或伤害”细胞群，减缓繁殖条件下的生长，同时帮助细胞在饥饿期间持续更长时间。

由Elela领导的另一个研究小组最初开始了解为什么酵母具有内含子。为了找到答案，他的小组系统地构建了一个由295个酵母菌株组成的文库，其中每个菌株都有一个不同的内含子缺失 - 该团队于2002年启动了一个项目，Elela说。

删除内含子在营养不良的环境中阻碍细胞生长，与Bartel的结果类似，但在资源充足时对细胞几乎没有影响。Elela的小组发现，酵母基因组中的许多内含子 - 大约90% - 在被删除时具有这种效应。

尚不清楚内含子如何在饥饿条件下促进细胞存活。两个小组都提出了一种机制，使序列使剪接体装置杂乱，从而防止它剪接新转录的内含子。在营养稀缺的环境中，这将有利于细胞的存活，因为它可以防止它们在没有足够资源的环境中尝试生长时浪费能量。为支持这一观点，Elela小组的其他实验表明，在饥饿细胞中，内含子抑制蛋白质生成所必需的核糖体蛋白基因的表达。对他而言，这表明内含子允许更少的这些基因被剪接和翻译，最终减缓细胞新陈代谢，减少能量消耗，

另一方面，在繁殖条件下，减缓细胞代谢将是有害的，其中细胞具有足够的生长资源。基于其他实验，研究人员提出了一个模型，其中TORC1途径 - 一种控制酵母生长以响应营养物质的关键信号级联 - 驱动营养贫乏环境中内含子的积累。最终，这将有助于细胞在压力下更好地应对，确保细胞不会消耗宝贵的资源，试图产生蛋白质并在营养物质有限时生长。“好日子垃圾是糟糕的日子宝贝，”埃莱拉说。

对于Bähler来说，这个想法很有意义。他指出，已知TORC1途径可以调节核糖体蛋白的产生，但是通过不同的机制，他说。因此，内含子积累“似乎是一个额外的控制水平，处于拼接水平，”他评论道。

Bartel对这两个研究小组的研究结果非常着迷，尽管他认为他在研究中观察到的异常稳定的内含子可能与Elela小组观察到的内含子有不同的作用。与此同时，他想知道内含子的这些功能是如何保守的。“很多地方内含子可能具有功能，”他说，“如果酵母可能是唯一可以用于这些切除内含子的物种，我们会感到惊讶。”