根據一項新的文解研究，就像樂高積木可以以新的讀跳方式排列以構建各種結構一樣，遺傳因子可以混合和匹配以制造新的躍基因進基因。相關研究結果發表在2021年2月19日的化過Science期刊上，論文標題為“Recurrent evolution of vertebrate transcription factors by transposase capture”。程中

長期以來提出的不斷一種制造新基因的機制稱為外顯子改組（exon shuffling），它的形成新工作原理是將DNA序列的功能塊重組成表達蛋白的新基因。

這項新的基因研究調查了在進化過程中如何將稱為轉座子或者說“跳躍基因”的遺傳因子混入其中，以便通過外顯子改組來組裝新的文解基因。

轉座子是讀跳基因組中豐富的組成部分---它們構成了人類DNA的一半，而且具有在基因組中自私地跳躍和復制的躍基因進能力。一些轉座子包含它們自己的化過基因，這些基因編碼將遺傳物質從一個染色體位置切割下來并粘貼到另一個染色體位置上的程中轉座酶蛋白。

這項研究的不斷重點是四足動物（四肢脊椎動物），它的形成新重要性在于它表明轉座子在進化過程中代表了制造新基因的重要力量。它還解釋了對人類發育至關重要的基因是如何誕生的。

論文第一作者、美國國家衛生研究院博士后研究員Rachel Cosby博士說，“我們認為這種機制很可能超越了脊椎動物，也可能是非脊椎動物的基本機制。”

論文通訊作者、美國康乃爾大學農業與生命科學學院分子生物學與遺傳學系教授Cedric Feschotte說，“這好比人們正在以不同的方式把磚頭放進去，構建出全新的東西。我們正在研究基因如何誕生的問題。它的原創性在于，我們正在研究轉座子在進化中制造具有新功能的蛋白的作用。”

在這項新的研究中，Cosby及其同事們首先分析了現有的四足動物基因組數據庫，這是因為有500多種四足動物物種的基因組已經被完全測序。他們搜索了已知的轉座子與宿主序列融合的特征性DNA序列的組合，以找到良好的候選對象進行研究。然后，他們選擇了相對較晚（在幾千萬年前）進化出來的基因，這樣他們就可以通過脊椎動物的生命樹來追溯基因的產生歷史。

雖然與這些轉座酶融合的基因比較罕見，但是這些研究人員在脊椎動物的生命樹上都發現了這些基因。他們沿著不同的物種譜系發現了100多個在過去3.5億年中誕生的與轉座酶融合在一起的不同基因，包括鳥類、爬行動物、青蛙、蝙蝠和考拉的基因，而在人類基因組中，共有44個基因以這種方式誕生。

Cosby及其同事們選擇了4個較晚進化出來的基因，并在細胞培養物中進行了廣泛的實驗，以了解它們的功能。他們發現，這些基因編碼的蛋白能夠與特定的DNA序列結合，并關閉基因的表達。這類基因稱為轉錄因子，是發育和基本生理學中的主調節基因。其中有一個這樣的基因PAX6研究得很透徹，它作為主調節因子在所有動物的眼睛形成過程中起著關鍵作用，并且在整個進化過程中高度保守。

Feschotte說，“如果你把小鼠的PAX6基因導入到果蠅中，那么它會發揮作用。”雖然之前也有人提出PAX6來自于轉座酶融合，但是在這項研究中，這些研究人員進一步驗證了這一假說。

Cosby及其同事們在蝙蝠中分離出這樣的一個較晚進化出來的基因，稱為KRABINER，然后利用CRISPR基因編輯技術將它從蝙蝠基因組中剔除，看看有哪些基因受到影響，然后再將它添加回去。這一實驗發現，當KRABINER被剔除時，數百個基因失去調節，而當他們將KRABINER添加回去時，功能又恢復正常。Cosby說，KRABINER基因表達的蛋白與蝙蝠基因組中的其他相關轉座子結合在一起。

Feschotte說，“這一實驗發現，它通過過去相關的轉座子在整個蝙蝠基因組中的分散，控制著一個由其他基因組成的大型網絡，這樣不僅制造新的基因，而且還制造了一個基因調控網絡。”

參考資料：

1.Rachel L. Cosby et al. Recurrent evolution of vertebrate transcription factors by transposase capture. Science, 2021, doi:10.1126/science.abc6405.

2.Aaron Wacholder et al. New genes from borrowed parts. Science, 2021, doi:10.1126/science.abf8493.

3.'Jumping genes' repeatedly form new genes over evolution

https://phys.org/news/2021-02-genes-repeatedly-evolution.html

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