如何馴服重複基因

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細胞分裂就像一場錯綜複雜的舞蹈,染色體必須遵循嚴格的編排。染色體首先必須找到並與其配對,進行DNA交換,然後再分開。但就像最優秀的舞者一樣,染色體有時也會犯錯。如果兩條配對的染色體在開始交換DNA時沒有正確對齊,那麼一條染色體可能會比它釋放的DNA片段更大。如果這個片段恰好包含一個基因,那麼這條染色體現在就多了一個副本。

大多數新基因都是透過這種意外的重複產生的。重複基因被描述為維持進化引擎運轉的原材料。這個比喻背後的基本思想是,一個基因充當安全網,而它的同胞基因可以自由突變。這種突變可能會破壞基因(沒有嚴重的後果——它完整的孿生基因仍然存在),或者改變其功能。如果新進化出的功能足夠有用,那麼這兩個副本都會被保留在基因組中。

但重複基因並非沒有缺點。兩個相同的基因也會產生兩倍的蛋白質,這可能會給細胞帶來各種麻煩。自由漂浮的蛋白質可能會粘在一起形成有毒團塊,或者結合其他它們不應該結合的蛋白質,例如。


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為了防止這種蛋白質過量,細胞透過降低兩個副本的活性(表達)來重新恢復平衡。臺灣的張英飛和廖本洋本週發表了一篇論文,描述了這是如何運作的。

他們發現,小鼠和人類的重複基因比未重複的基因攜帶更多的甲基(一種簡單的化學修飾)。這些甲基不影響DNA中編碼的資訊:它們就像新增到頂部的微小路標。甲基化DNA以活性低於正常DNA而聞名。甲基會阻礙正常讀取DNA的蛋白質。它們還會讓DNA以更緊湊和僵硬的方式盤繞,使其更難以接近。

張和廖驚訝地發現,細胞用瞬時甲基來重新平衡重複基因:“[這種]變化[..]不像基因水平的修飾那樣永久”,他們寫道。甲基可以相當容易地去除

同一批研究人員之前指出,重複基因的活性降低是自我永久化的。既然基因表達已經恢復到正常水平,細胞就再也承受不起失去任何一個副本了。備用輪胎再次變得至關重要。因此,使用甲基化DNA來控制重複基因似乎是長期問題的一個非常臨時的解決方案。

研究人員描繪的情景確實解釋了為什麼從酵母到人類的不同物種的基因組仍然包含在細胞中執行相同工作的遺傳同胞。這些不是年輕的基因:其中一些基因在數百萬年前就已重複。這似乎是重複基因的另一面。它們不僅可以推動進化,還可以在已經擁擠的基因組中引入不必要的複雜性和依賴性。


圖片

中期,作者:Roy van Heesbeen。


參考文獻

Ying-Fei Chang A, & Liao BY (2011). DNA methylation rebalances gene dosage after mammalian gene duplications. Molecular biology and evolution PMID: 21821837

My name is Lucas Brouwers. Most of my writings here will concern evolution somehow, which is the one topic that fascinates most. I like exploring evolution through bioinformatics or molecular biology, though I won't eschew other fields of science if the topic is interesting. Please call out any mistakes I might make while doing so! Science is amazing and I love writing about science. I currently write for a daily Dutch newspaper, where I hope I can convince others of the awesomeness of science and evolution.

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