困扰人类数十年的难题终得答案，哺乳动物DNA中的非编码“超保守序列”能影响大脑发育

前言：一直以来有一个难题，已经嘲笑了科学家数十年。数百个跨哺乳动物基因组的完美序列保守连续碱基的非编码“超保守”区域，像是基因组中的“暗物质”，完美保守，却又没有发现有明显的功能。 

1月18日，劳伦斯 伯克利国家实验室的研究人员在 Cell 发表题为：Ultraconserved Enhancers Are Required for Normal Development的研究长文，证实哺乳动物基因组中的超保守序列可以作为增强子，是正常发育所必需的。

包含数百个跨哺乳动物基因组的完美序列保守连续碱基的非编码“超保守”区域可以起到远距离作用增强子的作用。使用CRISPR基因编辑技术创建了一系列基因敲除小鼠，超保守增强子单个或成对缺失的小鼠是可以存活的和繁育的，但几乎都显示出神经或生长异常，包括神经元群体和结构性脑缺陷的显著改变。研究结果表明超保守增强子具有重要功能，是生长发育中必需的。

这个困扰人类数十年的问题，终于得到了解决。使用CRISPR删除一些“超保守序列”，发现这些序列通过微调蛋白质编码基因表达来指导大脑发育。这一发现可能有助于人们更好地了解诸如阿尔茨海默病等神经疾病。 

早在2004年，加利福尼亚斯坦福大学的基因组学家 Gill Bejerano 就在Cell发表文章描述了这种超保守序列，但当时并不知道这些序列的作用，生物学家们花了十四年的时间才弄清楚这一点。

Gill Bejerano和同事们最初比较人类、小鼠、大鼠、鸡的基因组时发现了“超保守的序列”，并且发现了481个在整个物种中极其相似的DNA片段。这非常令人惊讶，因为DNA一代一代地变异，而且这些动物谱系已经独立发展了2亿年。

编码蛋白质的基因往往具有相对较少的突变，因为如果这些变化破坏相应的蛋白质并在繁殖前死亡，则突变的基因不会传递给后代。 根据这个逻辑，一些基因组学家怀疑自然选择在超保守区域也同样地排除了突变。 尽管序列不编码蛋白质，但它们的功能必定非常重要，以至于不能有突变。

但是这个假设在2007年遇到了一个障碍，当时一个研究小组报告敲除了老鼠中的四个超保守序列，发现这些动物看起来很好，并且能正常繁殖。 这次Cell研究的第一作者，劳伦斯伯克利国家实验室的基因组学家 Diane Dickel 说：“这令人震惊，那些小鼠应该死了才对”。

Dickel和她的同事使用基因编辑工具CRISPR/Cas9重新研究了这个问题。在小鼠中，他们删除了四个超保守序列，这一次，序列敲除小鼠看起来没问题。 但解剖大脑时发现了异常。敲除这些序列的小鼠具有与阿尔茨海默病进展有关的异常低的脑细胞数目。正常小鼠前脑与记忆形成和癫痫有关的部分看起来像一把刀，但是敲除超保守序列的小鼠的这一部分看起来“刀刃”很扭曲。见下图：

小鼠前脑的正常部分（左）与突变形式（右）

但她认为由此产生的认知缺陷不会危及野生小鼠，这些超保守区域的变化不会在群体内传播，因为受影响的个体在繁殖方面要比不受影响的个体成功率低。

未来的研究可能会探讨患有阿尔茨海默病，痴呆症，癫痫症或其他神经系统疾病的人是否在这些被忽视的非编码序列中有突变。虽然许多其他超保守序列的功能仍然未知，但它们很可能也是必不可少的。

参考文献：

Dickel, D. et al. Cell http://dx./10.1371/journal.pbio.0050234 (2018).

Bejerano, Gill et al. Science 304, 1321-1325 (2004).

Ahituv, N. et al. PLOS Biol. 5, e234 (2007).

Amy Maxmen.'Dark matter' DNA influences brain development.Nature(2018).