我們終於看清了駕駛著“生命巴士”的“巴士司機”

科學家終於破譯了果蠅基因庫中的一些最重要部分！

一組來自美國康涅狄格大學、羅切斯特大學以及哈佛醫學院的生物學家首次成功地破譯、測序了多細胞生物中的所有著絲粒的基因組成，並且還發現了可能在染色體分裂中起關鍵作用的DNA片段。

這是非常重大的突破，因為如果在染色體分裂的過程中出現任何錯誤，都有可能導致癌症、天生缺陷，甚至是死亡。研究人員將這些重大成果分發表在了5月14日的《公共科學圖書館·生物學》期刊上。

什麽是著絲粒？著絲粒就是染色體中連接了兩個染色單體的結構，它賦予大多數染色體以特有的X形狀，在縱橫諜海時會幫助染色體移動。如果把染色體比作一輛巴士，DNA和基因是其中的乘客，那麽著絲粒就是那位巴士司機。在DNA被複製之後，著絲粒會將染色體移動到新的子細胞中。

但一直以來，科學家對這些基因裡“巴士司機”知之甚少。雖然之前他們也曾成功地甄別出過一些玉米、馬、酵母和其他真菌的著絲粒，還鑒別出了一個主宰著Y染色體的人類著絲粒，但他們對著絲粒的了解最多也僅限於它們是長到令人難以置信的重複DNA片段。

儘管科學家在2000年就曾報告說我們已經掌握了果蠅的整個基因庫，但事實上，研究人員跳過了果蠅的著絲粒和其他一些重複DNA。同樣，我們對人類基因組的了解也不並非真正完整，人類的著絲粒（除了Y染色體的著絲粒以外）也仍然是個謎。

這種疏忽是由技術原因造成的，因為若要給基因組測序（也就是確定DNA裡的鹼基順序），我們首先必須將DNA切成一塊塊長度約為150個鹼基的小片段，然後計算機可以通過尋找兩個相互匹配的基因片段而將基因組組合在一起。而著絲粒會傾向於一遍又一遍地重複相同的鹼基字母，並且它的長度可以延伸到數百萬個鹼基，所以在著絲粒中，許多小片段看起來非常像。這給測序帶來了很大的難度，因為這就好比是在拚一副全是藍天的拚圖，每一塊拚圖看起來都一樣。

美國羅切斯特大學的進化遺傳學家AmandaLarracuente是這項研究的主導人之一，她與她的研究團隊使用了一種新的測序技術，可以對長度達到10,000到100,000個鹼基的DNA片段進行測序。Larracuente解釋說，有了這種技術，就好比有了一幅更大的藍天拚圖，在這幅更廣闊的圖畫中，我們或許能夠捕捉到幾縷雲彩，從而減輕一點找出DNA片段是如何組合在一起的難度。除此之外，他們還使用了一些其他技術來將著絲粒的拚圖組合在一起。有了這些技術，其他科學家也可以借用它們來填補其他生物體基因組中的空白。

這一次，研究人員終於將著絲粒的片段組合在了一起。他們發現，重複的DNA片段會被一些像“島嶼”一樣的跳躍基因隔開，這種跳躍基因（或稱逆轉錄轉座子）是一些古老的可移動的DNA片段，它們有點類似於病毒，可以進行自我複製，並能將這些複製插入整個基因組的各個位置。可以說，是轉座子的存在塑造了人類的進化。但有時，這種跳躍基因也會造成傷害，比如當一個逆轉錄轉座子在插入一個基因位點而破壞了一個重要的基因時，就會出現那些我們不想看到的情況。

每一個果蠅染色體的著絲粒都是獨一無二的，儘管它們都具有相同基本結構的逆轉錄轉座子（尤其是逆轉錄轉座子G2/Jockey-3）島嶼，這些島嶼都被重複DNA的海洋所包圍。研究人員發現，有63%的G2/Jockey-3副本存在於果蠅的著絲粒中，還有一些分散在基因組的其他地方。這一結果或許意味著，轉座子就像是一顆種子，圍繞這顆種子能夠形成新的著絲粒；又或者說，轉座子可能只是比基因組的其他部分能更頻繁地進入著絲粒。

在研究過程中，他們還發現了一條暗示著G2/Jockey-3可能會播種著絲粒的線索：一種關鍵的名為CENP-A的著絲粒蛋白依附在那些轉座子島嶼之上。CENP-A是一種有助於固定著絲粒，將染色體分離成新的子細胞的蛋白質。而發現CENP-A就粘附在轉座子上意味著跳躍基因在著絲粒中可能處於掌控地位。

康涅狄格大學的遺傳學家Barbara Mellone是這項研究的另一位主要研究者。她介紹說，雖然植物、真菌、蝙蝠、長臂猿和人類的著絲粒也含有逆轉錄轉座子，但沒有人真正知道這些轉座子是在駕駛巴士，還是只是在搭一趟便車。例如，有一些證據就表明轉座子似乎只是乘客：在玉米中，著絲粒會先移動，然後才會有轉座子的出現。

面對這些未知，研究人員希望通過這次對著絲粒結構的發現，他們可以在未來找到跳躍基因對於在正確的軌道上維持果蠅的著絲粒和染色體有何重要作用。

參考鏈接：

[1] https://www.sciencenews.org/article/fruit-fly-jumping-gene-chromosome-centromere

[2] https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3000241