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流氓序列或许是生存的必要?

已有 7481 次阅读 2014-12-12 09:54 |个人分类:自然科学|系统分类:观点评述

笔者个人认为,如果将衰老看成生物现象的一种必然现象,这些所谓流氓元件只不过就是控制衰老过程的执行分子。生与死本来就是生命现象矛盾统一的两个方面,对一个细胞来说,死亡意味着给更多细胞的留下生存空间,对一个个体来说,衰老和死亡是给新一代留下发展的余地。没有生就没有死亡,没有死亡也没有发展。这些流氓元件绝对不是那么流氓,生物进化过程中既然保留了这些成员,那么他们就是重要的成分,而不是简单有害那么看待。

包括人类在内,各种生物体基因组中都散落着反转录转座子DNA重复序列。最近《科学》杂志发表了4位生物学家撰写的一篇前瞻性文章对反转录转座子和人类衰老的关系进行了展望。文章认为,大多数反转录转座子表面上是进化过程中残留的无活性“化石”序列,但大约100个这样的古老流氓元件仍在试图拷贝自身,并有可能严重破坏健康,这可能是人类和许多生物衰老的重要基础。

最早关于转转座子的研究主要是在植物和低等生物体系中。转座子是一类可在各种不同DNA序列之间自行移动的遗传成分,是基因组中一段特异的具有转位特性的独立的DNA序列。转座子可以分为两大类:以DNA-DNA方式转座的转座子和反转录转座子。第一类转座子可以通过DNA复制或直接切除两种方式获得可移片段,重新插入基因组DNA中。根据转座的自主性,这类元件又可以分为自主转座元件和非自主转座元件,前者本身能够编码转座酶而进行转座,后者则需在自主元件存在时方可转座,以玉米的Ac/Ds体系为例,Ac属于自主元件,Ds则是非自主元件,必需在Ac元件存在下才能转座。第二类转座子又称为返座元,是近年新发现由RNA介导的转座元件,在结构和复制上与反转录病毒类似,但缺乏病毒感染必须的包膜蛋白基因,它通过转录合成mRNA,再逆转录合成新的元件整合到基因组中完成转座过程。反转录转座子通过RNA为中介,反转录成DNA后进行转座的可动元件,这样的转座过程称为反转座作用。反转座作用出现在真核生物,包括能自由地感染宿主细胞的反转录病毒,和通过RNA为中介进行转座的DNA序列。除反转录病毒外,反转录转座子可分成两类:一类是病毒超家族,这类反转录转座子编码反转录酶或整合酶,能自主地进行转录,转座机制类似反转录病毒,但不像反转录病毒那样通过感染方式传播;另一类是非病毒超家族,自身缺乏转座酶或整合酶序列,是利用细胞内已有酶系统进行转座。病毒超家族和非病毒超家族都来源于细胞内的转录物,两者的明显区别在于病毒超家族DNA分子两端有长末端重复序列,这是反转录病毒DNA基因组的特征性结构,非病毒超家族的成员没有长末端重复序列。所有反转录转座子都有一个共同点,即在插入位点上产生短的正向重复序列。

反转录转座子转录合成mRNA,再逆转录合成新的DNA元件整合到基因组中。人类基因组含有100LINE-1L1Hs)自主活化反转录转座子。这些L1Hs编码的蛋白质包括逆转录酶,该酶形成带着mRNA的核蛋白颗粒,对逆转录转座过程至关重要。另一种丰富的人类反转录转座子是Alu元件,Alu元件的转录物与L1Hs编码蛋白组装在一起。L1HsAlu核蛋白颗粒进入细胞核,通过靶序列引发逆转录过程,将新的DNA元件插入到基因组的准随机位点。

布朗大学生物学家StephenHelfandJohnSedivy等科学家注意到,基因组并没有忽视这些致命威胁。细胞会将这些成分卷绕成异常染色质,严格抑制其反转录转座子活性。布朗大学等机构最近研究证实,随着生物体衰老,异常染色质防御效率会降低,使反转录转座子活性显现,这有可能促成癌症、神经退行性疾病和自身免疫性疾病等问题。随着年龄增长,氧化应激等因素导致DNA损伤和端粒缩短,削弱了衰老细胞多个反转录转座子的抑制系统。一系列正常基因表达受到干扰,最终导致各种衰老相关疾病的发生。

这场对抗流氓序列的战斗在生物体进化过程中已持续了数百万年,我们或许能有针对性地干扰这一过程,协助生物体摆脱衰老的影响。让反转录转座子继续在异染色质内维持现状显然是一种不错的想法,这需要寻找一些靶向染色质作用的药物分子。抗艾滋病的药物中有一种逆转录酶抑制剂,这也是另外一种思路,因为这些药物可阻止反转录转座子在基因组中散播。最近《科学》杂志一篇研究证明,治疗艾滋病的核苷酸类逆转录酶抑制剂,具有特异性阻断P2X7-炎症小体对抗炎症反应的研究,原始思路就是受到这种思路的启发,或许从这个途径也可开辟出一条研究抗衰老相关疾病,建立预防衰老的研究模式或有效方法。

原文检索:

Vera Gorbunova, Jef D. Boeke, Stephen L. Helfand, andJohn M. Sedivy. Sleeping dogs of the genome. Science, 5 December 2014; DOI:10.1126/science.aaa3177




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