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美国西北大学研究发现代谢率降低50%后,基因突变缺陷会自我修复-贤集网生命科学仪器专题

文章来源: 顾建文教授医学科普       发布时间:2019-07-29

7月25日,一项来自美国西北大学(Northwestern University)的研究发现,动物的基因调控网络,和代谢水平有着很高的同步性。如果代谢水平下降,动物就有更长的时间来“微调”基因的表达。这个简单的结论,带来了令人惊讶的结果!研究人员们指出,这种微调竟然可以让实验动物“无视”一些有害的基因突变!


美国西北大学研究发现代谢率降低50%后,基因突变缺陷会自我修复-贤集网生命科学仪器专题


在模式生物果蝇中,这支团队选用了一些会出现基因调控异常的突变体。它们的转录因子、微RNA(microRNA)、以及其他调控基因的关键因子无法顺利工作,会造成发育的严重缺陷。


然而通过将它们的代谢率降低50%,原本由于这些基因突变会出现的发育缺陷,居然消失了!这不是一个偶然现象。事实上,他们测试了多个不同的基因突变,观察到了同样的现象。


美国西北大学研究发现代谢率降低50%后,基因突变缺陷会自我修复-贤集网生命科学仪器专题


▲较低的代谢水平(淡紫色)能在很大程度上逆转果蝇的突变表型


“当果蝇在正常速度下发育时,就会出现问题,”本研究的负责人之一Richard Carthew教授说道:“当我们放慢速度,发育问题就消失了!果蝇生长得很慢,但它们却变得很正常。”


“这颠覆了我们关于发育所知的所有范式,”另一位负责人Luís Amaral教授说道:“我们总是认为,如果‘弄坏’了一些基因,就会导致严重的发育后果。但对于一些基因来说,只要放慢代谢的速度,就不会出现类似的问题。”


在诸多发现中,最令人感到不可思议的,或许就是颠覆微RNA的“不可或缺性”了。作为一种小型的RNA分子,微RNA在所有的动植物中都存在,且通过调节基因表达,在发育、生理、以及行为等方方面面扮演了重要的作用。过去,人们相信它对于生命而言不可或缺,任何生命离开它都活不了。


“20多年的研究表明,微RNA对生命来说是必需的。如果你没有微RNA,你就会死,事情就这么简单,” Carthew教授补充说道:“但在我们的研究里,虽然突变果蝇不会生产任何微RNA。但放慢代谢速率后,它们活了下来,并最终发育成了正常的个体!我们的结论表明这一整类基因调控家族都不是必需的。”


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▲本研究的图示


研究人员们指出,这些发现能够回答很多问题,比如为何快速繁育的肉鸡容易出现发育问题,又比如为何限制卡路里的饮食和长寿有关。


他们给出的答案是“反馈调控”,这是一种在生物学中很常见的现象。要知道,生命是一个非常复杂的系统,因此它的实际“操作系统”具有一定的弹性,并会根据周围环境的变化做出相应的反馈。


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▲较慢的代谢速率能让细胞“慢工出细活”


用几年的时间,西北大学的科学家们通过实验证实了这一点。“如果你仔细看单个细胞内不同的蛋白质与基因如何相互作用,由于所有元件和相互作用过于复杂,(你的大脑)会不堪重负,” Amaral教授解释说道:“如果你保持快速发育,而细胞里出现了些问题,结果就会是灾难性的。因此细胞里有一套很复杂的系统,增加冗余性,防止出现灾难性后果。但如果你发育缓慢,或许就不需要这种复杂系统了。因为你有更多的时间来慢慢调整错误,对此作出反应。”


用通俗一点的话说,因为代谢率下降的关系,细胞的工作也变得悠闲起来。它们就会“慢工出细活”,把生长过程中的小错误给逐渐修补,最终长成应有的健康模样。


研究人员们指出,这个发现有望最终应用于人类身上。比如我们知道,癌细胞里头有很多突变,而它们恰恰又是代谢非常快速的一类细胞。如果能放慢癌细胞的代谢速率,或许我们就可以让它们变回正常,不再发生恶性增长。


关于基因突变


基因组DNA分子发生的突然的、可遗传的变异现象(gene mutation)。从分子水平上看,基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因虽然十分稳定,能在细胞分裂时精确地复制自己,但这种稳定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式,就是在一个位点上,突然出现了一个新基因,代替了原有基因,这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。

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