“暗物质”DNA影响大脑发育

实验室小鼠帮助研究人员探寻令人困惑的“暗物质”DNA。 图片来源：Alexander Badyaev

十多年来，由基因组中的“暗物质”片段（没有明显功能的缠绕在一起的DNA长链）带来的谜题一直困扰着科学家。如今，一个团队最终破解了这个谜题。

这个谜题集中在不编码蛋白质但在很多动物中保持相同的DNA序列。通过删除其中一些“超保守元素”，研究人员发现，这些序列能微调编码蛋白质的基因表达，进而指导大脑发育。

这项日前发表于《细胞》杂志的研究，或许能帮助研究人员更好地了解诸如阿尔茨海默氏症等神经系统疾病。同时，它还验证了科学家提出的所有超保守元素对生命至关重要的假设，尽管研究人员对于它们的功能知之甚少。

编码蛋白质的基因通常拥有相对较少的突变，因为如果这些改变干扰了相应的蛋白质，并且动物在繁殖前死去，那么突变的基因就不会被传给后代。基于该逻辑，一些基因组学家怀疑自然选择能以类似方式清除超保守区域的突变。他们认为，即便这些序列没有编码蛋白质，它们的功能肯定也非常重要。

不过，这一假设在2007年遇到“路障”。当时，一个团队报告称敲除了小鼠体内的4个超保守元素，并且发现这些动物看起来很好且能正常繁殖。“这项发现令人震惊——这些小鼠本应该死去的。”最新研究第一作者、劳伦斯伯克利国家实验室基因组学家Diane Dickel表示。

Dickel和同事利用CRISPR-Cas9基因编辑工具重新审视了该问题。他们分别或者以各种组合的形式删除了小鼠体内的4个超保守元素。这些元素所在的DNA区域同时含有在大脑发育中起重要作用的基因。小鼠看上去也很好。不过，当研究人员分解这些啮齿类动物的大脑时，他们发现了异常现象。

缺少特定序列的小鼠拥有数量极少的同阿尔茨海默氏症发病相关的大脑细胞。另一种超保守元素被删掉的小鼠在涉及记忆形成和癫痫的部分前脑区域出现异常情况。“通常，它看上去像一把剑。但在这些小鼠的大脑内，这把剑是弯曲的。”Dickel介绍说。

她认为，由此导致的认知缺陷可能危及野外小鼠。因此，这些超保守区域的差异不会在整个种群扩散，因为遭受折磨的个体繁衍后代的成功率更低。进一步的研究将探寻患有阿尔茨海默氏症、失智症、癫痫或者其他神经系统疾病的人，是否在这些曾被忽视的非编码序列中出现突变。