本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
细胞分裂就像一场错综复杂的舞蹈,染色体必须遵循严格的编排。染色体首先必须找到并与其配对,进行DNA交换,然后再分开。但就像最优秀的舞者一样,染色体有时也会犯错。如果两条配对的染色体在开始交换DNA时没有正确对齐,那么一条染色体可能会比它释放的DNA片段更大。如果这个片段恰好包含一个基因,那么这条染色体现在就多了一个副本。
大多数新基因都是通过这种意外的重复产生的。重复基因被描述为维持进化引擎运转的原材料。这个比喻背后的基本思想是,一个基因充当安全网,而它的同胞基因可以自由突变。这种突变可能会破坏基因(没有严重的后果——它完整的孪生基因仍然存在),或者改变其功能。如果新进化出的功能足够有用,那么这两个副本都会被保留在基因组中。
但重复基因并非没有缺点。两个相同的基因也会产生两倍的蛋白质,这可能会给细胞带来各种麻烦。自由漂浮的蛋白质可能会粘在一起形成有毒团块,或者结合其他它们不应该结合的蛋白质,例如。
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为了防止这种蛋白质过量,细胞通过降低两个副本的活性(表达)来重新恢复平衡。台湾的张英飞和廖本洋本周发表了一篇论文,描述了这是如何运作的。
他们发现,小鼠和人类的重复基因比未重复的基因携带更多的甲基(一种简单的化学修饰)。这些甲基不影响DNA中编码的信息:它们就像添加到顶部的微小路标。甲基化DNA以活性低于正常DNA而闻名。甲基会阻碍正常读取DNA的蛋白质。它们还会让DNA以更紧凑和僵硬的方式盘绕,使其更难以接近。
张和廖惊讶地发现,细胞用瞬时甲基来重新平衡重复基因:“[这种]变化[..]不像基因水平的修饰那样永久”,他们写道。甲基可以相当容易地去除。
同一批研究人员之前指出,重复基因的活性降低是自我永久化的。既然基因表达已经恢复到正常水平,细胞就再也承受不起失去任何一个副本了。备用轮胎再次变得至关重要。因此,使用甲基化DNA来控制重复基因似乎是长期问题的一个非常临时的解决方案。
研究人员描绘的情景确实解释了为什么从酵母到人类的不同物种的基因组仍然包含在细胞中执行相同工作的遗传同胞。这些不是年轻的基因:其中一些基因在数百万年前就已重复。这似乎是重复基因的另一面。它们不仅可以推动进化,还可以在已经拥挤的基因组中引入不必要的复杂性和依赖性。
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中期,作者:Roy van Heesbeen。
参考文献
Ying-Fei Chang A, & Liao BY (2011). DNA methylation rebalances gene dosage after mammalian gene duplications. Molecular biology and evolution PMID: 21821837