《科学》聚焦:探索基因组中的黑暗物质

时间:2007年6月19日
来源:生物通

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在6月15日的《Science》杂志上,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)果蝇异染色质基因组计划(Drosophila Heterochromatin Genome Project,DHGP)的研究人员完成了一张黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)这些区域的测序,作图以及功能性分析,得出的结果证实异染色质并不是所谓的“垃圾”。

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生物通报道:来自美加州伯克利的消息,还在不久之前,异染色质(heterochromatin)区域上发现的难以测序,高度重复性,基因含量少的DNA被认为是“垃圾”DNA,对于其真实的本质我们几乎不了解。

在6月15日的《Science》杂志上,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)果蝇异染色质基因组计划(Drosophila Heterochromatin Genome Project,DHGP)的研究人员完成了一张黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)这些区域的测序,作图以及功能性分析,得出的结果证实异染色质并不是所谓的“垃圾”。


(果蝇着丝粒异染色质图例,黑色为基因富集常染色体区域,蓝色为异染色质测序区域,灰色区域是短重复序列未翻译区)

原文摘要:
Science 15 June 2007:
Vol. 316. no. 5831, pp. 1586 - 1591
The Release 5.1 Annotation of Drosophila melanogaster Heterochromatin [Abstract]

Science 15 June 2007:
Vol. 316. no. 5831, pp. 1625 - 1628
Sequence Finishing and Mapping of Drosophila melanogaster Heterochromatin
[Abstract]

DHGP计划组主任,加州大学伯克利分校细胞与分子生物学副教授Gary Karpen表示,“大多数研究人员认为异染色质作用甚少,因为其上缺乏在染色体中常见,以及研究的比较多的常染色体中的蛋白编码基因”,“然而近年来的研究表明异染色质对于许多重要的功能起着关键的作用。”

这一果蝇异染色质测序的完成克服了之前的技术难题,延伸了对于异染色质结构和构架的了解,能帮助我们更好的了解异染色质如何帮助细胞和生物体生存。

测序结果解析了超过200个蛋白编码基因,这些异染色质也包含一些生物重要成份的特征,比如编码非蛋白编码RNAs序列和其它功能元件,其中有小RNAs,以及转位子(与能在基因组中跳跃的,破坏基因功能的病毒相似的DNAs)。

此次对异染色质和常染色体的测序使用的全基因组鸟枪法测序,伯克利实验室的Susan Celniker表示,“我们将整个果蝇进行了研磨,得到了两个大小的DNA片段的文库,一些长约2kb,还有一些长10kb。在常染色体中,大型的单拷贝的片段能进行自组装,但是很难了解异染色质上,许多重复序列的短片段是如何组装的。”

因此在2000年由伯克利果蝇基因组计划和Celera Genomics公布在《Science》上的果蝇“substantially complete”基因组序列实际上离完全序列还有一段距离。

Celniker说,“最开始我们将精力放在常染色体上,不管那些重复的,着丝粒和端粒区域的部分,之后我们才进行了目前这项工作,这些序列延伸到了那些区域。”

重复序列是异染色质的特征,分为截然不同的几种。简单的短重复序列叫做微型DNA,在着丝粒附近富集,将染色体长度延长了成百上千,甚至数百万碱基长度。在这片卫星DNA中有中长长度的重复序列(长度为几十或者几百kb),这部分主要是转座子或者转座子片段。

在异染色质的其它部分,转座子占了主要部分,其余的是一些简单拷贝的基因,或者编码RNAs(不是mRNA)的DNA,和其它功能元件。中度重复片段,比如转座子和单拷贝基因的组装是通过将其与长片段克隆匹配来检测的,研究人员通过辛苦的手工操作,绘制了这些片段的在染色体上的物理位置,下一阶段将进行异染色质的功能分析。
(生物通:张迪)

附:
异染色质heterochromatin 

最近异染色质一词提得很多。原来它只是细胞形态学上的名词,即指在细胞周期的所有各个阶段,可被碱性染料深染的染色质(异固缩),但现在则是从蝗虫精母细胞的X染色体开始把从分裂前中期到中期浅染或褪色的(负异固缩)染色质也都称为异染色质。

与此相反,间期核中染色较淡,分裂中期染色较深的染色质称为常染色质。B染色体、性染色体,以及某些特定染色体组等等,这类染色体几乎全部为异染色体,还有着丝粒附近,核仁形成区端部小粒等,仅染色体上一定部位的特定染色体区段,也是异染色质。

现在已知,异染色质区段时常染色质相比,其DNA复制的时期较晚,相当于一般细胞周期中的S期末尾(晚复制型)。但最近也发现有早期复制型的异染色质。但不论那一类异染色质,DNA复制极快,极短时间即告完成。如用电子显微镜观察,可以看到异染色质部位的染色丝只是在为时极短的合成DNA的S期才解旋分散,而在其他各期则取固缩型的结构。

由此可见,最初以对碱性染料亲和性不同而取名的异染色质。实际上在DNA合成时期以及存在形态上也显有差异。所以也可把异染色质区定义为与常染色质周期不同(allocyclie)的部位。异染色质还可进而分为专性异染色质和兼性异染色质,前者包含有GC含量较高的DNA,后者则具有大量的组蛋白。

 劳伦斯伯克利国家实验室简介

七十多年来,美国劳伦斯伯克力国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,简称LBNL)在科学与工程研究方面一直处于领先地位。它坐落在山上加州大学伯克力分校的校园内,占地200 英亩,俯瞰旧金山湾,是美国能源部所属,由加州大学管理的一个国家实验室。年度经费(FY2002)接近4.8 亿美元,现有雇员约3900人,包括1000多名学生。

LBNL开展非保密的研究,涉及许多学科,重点开展宇宙、定量生物学、纳米科学、新的能源系统和环境解决方案,以及利用综合计算作为取得发现工具的基础研究。它由17个科学部组成,并负责4个能源部的国有用户装置,请参阅用户装置部分。

1931年,Ernest Orlando Lawrence(1901-1958)(左图)创建了LBNL。他因发明回旋加速器荣获1939年诺贝尔物理奖。回旋加速器是圆形粒子加速器,它叩开了高能物理的大门。Lawrence确信,通过由具有不同领域专门技术个人组成团队的共同工作,可以开展出色的科学研究。他的团队协力概念是LBNL的遗产,已经在基础知识和应用技术方面产生丰硕成果,并获得许多奖项,包括9个诺贝尔奖—5 个物理方面的诺贝尔奖,4个化学方面的诺贝尔奖。

LBNL的现任所长是朱棣文(1997年诺贝尔物理奖获得者)(2004年6月起任所长),负责科研的副所长是Pier Oddone(2005年7月起将担任美国费米国家实验室所长),负责运行的副所长是Sally Benson。

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