假基因研究的進(jìn)展及其意義

1、假基因研究的進(jìn)展及其意義摘要 ：隨著人類基因組計(jì)劃的不斷深入，占基因組 97%的非表達(dá)序列正日益引起人們的關(guān)注，而其中對(duì)于假基因的研究更成為全球范圍內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)， 就近年來對(duì)假基因的研究進(jìn)展 和意義做一綜述。關(guān)鍵詞 ：假基因 特性與分布 產(chǎn)生 作用機(jī)理 功能與進(jìn)化 展望假基因（pseudo gene）是指基因組中與正常基因序列相似，但是缺乏功能的 DNA序列。假基因與有功能的基因同源，原來可能也是有功能的基因，但由于缺失、倒位或點(diǎn)突變等。 【1】使這一基因失去了活性，從而成為無功能基因。假基因一度由于不參與蛋白質(zhì)編碼而被 認(rèn)為是 “垃圾基因” 但隨著對(duì)非表達(dá)序列研究的深入， 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它的重要

2、性可能比原來認(rèn) 為的要大。1 假基因的發(fā)現(xiàn)假基因的概念最初由 Jacq等人【2】出。他們克隆了非洲爪蟾 DNA中的1個(gè)5s rDNA相關(guān)基因， 通過比較其功能基因后發(fā)現(xiàn)， 這個(gè)基因存在缺失以及錯(cuò)配現(xiàn)象在非洲爪蟾體內(nèi)也 檢測(cè)不出這段基因復(fù)本序列的 mRNA 分子，說明它沒有表達(dá)活性，于是就將這個(gè)截短的5srDNA 的同源物描述為假基因。2 假基因的特性和分布2.1假基因的特性，末端有很短一段 A-T 堿這些遺傳缺陷包括 :可讀;控制基因轉(zhuǎn)錄或剪接的與相應(yīng)的正常基因相比，假基因往往缺少正?；虻膬?nèi)含子基對(duì) ，兩側(cè)有順向重復(fù)序列。 大多數(shù)假基因本身存在多種遺傳缺陷?？蛑械臒o義突變 ;非 3 的整數(shù)倍

3、的核苷酸插入或缺失導(dǎo)致閱讀框移碼 調(diào)控區(qū)的缺失突變 ，這些缺陷引起基因功能的損失發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平。2.2 假基因的分布假基因普遍存在于生物的基因組中，假基因與其功能基因在染色體上的排列并非共線性關(guān)系 ，而是散布于有活性的功能基因之間。線蟲中占總數(shù) 53%的假基因集中在染色體短臂末端 ，而這個(gè)區(qū)域只有 30%的基因。 在果蠅中 ，靠近染色體中心的著絲點(diǎn)附近假基因分布密 度明顯增加，預(yù)示在染色體上可能存在假基的熱點(diǎn)（hots pot）。假基因在人類染色體上的分布與染色體長(zhǎng)度成比例，但加工假基因在 G +C含量為40%46%的染色體區(qū)域密度最高。 未加工假基因則聚集在基因組富含基因的區(qū)域。

4、33 假基因的產(chǎn)生根據(jù)假基因形成機(jī)制的不同，假基因可分為加工假基因和未加工假基因43.1 加工假基因的產(chǎn)生復(fù)制過程中對(duì)基因 DNA 序列進(jìn)行修飾 （無義突變、 插入、 缺失、 移碼 ）。導(dǎo)致復(fù) 制后的基因無法進(jìn)行正常的編碼 ，由此產(chǎn)生的缺陷引起基因功能在轉(zhuǎn)錄水平或翻譯水平，或兩個(gè)水平上喪失 ，形成沉默的冗余片段，從而使其喪失正常功能不再產(chǎn)生蛋白質(zhì)。它們往往保留了功能基因的外顯子 2 內(nèi)含子結(jié)構(gòu) ，有時(shí)這種結(jié)構(gòu)是不完整的。3.2 未加工假基因的產(chǎn)生通過 DNA 轉(zhuǎn)錄為 mRNA 后 ，再逆轉(zhuǎn)錄成為 cDNA 重新整合進(jìn)入基因組 （很可能發(fā)生 在生殖細(xì)胞中 ） ，在長(zhǎng)期進(jìn)化選擇過程中因?yàn)殡S機(jī)突變積

5、累而喪失功能，又得以保留成為假基因 ，這樣產(chǎn)生的功能基因有缺陷的拷貝便是處理后的假基因4 假基因的作用機(jī)理假基因的作用有序列專一性，只影響與基因本身相似的一些序列。由假基因介導(dǎo)的基因調(diào)控有兩種可能的作用機(jī)理 : DNA 指導(dǎo)的調(diào)控和 RNA 指導(dǎo)的調(diào)控。4.1 DNA 調(diào)控的機(jī)理假基因和基因的前 700 核苷酸區(qū)域的調(diào)控元件相互競(jìng)爭(zhēng),而對(duì)抑制蛋白的利用是有限的 ,因此它們與轉(zhuǎn)錄抑制劑競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,從而調(diào)控功能基因的表達(dá)。4.2 RNA 調(diào)控的機(jī)理 最近顯示非編碼蛋白質(zhì)的 RNA 履行了一系列的生物學(xué)功能 ,比如參與基因沉默、 催 化和發(fā)育調(diào)控有關(guān)的小 RNA 。假基因與它類似的活性基因的 mRN

6、A 相互競(jìng)爭(zhēng) ,與一種去穩(wěn) 定蛋白質(zhì)結(jié)合 ,這種去穩(wěn)定蛋白質(zhì)是一種 RNA 消化酶 ,與 mRNA 的起始端附近 700 個(gè)核 苷酸區(qū)域結(jié)合。非編碼 RNA 起穩(wěn)定 makorinlmRNA 作用 ,并且 makorinl 和 makorinl-p l 的 mRNA 前 700 個(gè)核苷酸都含有一個(gè)穩(wěn)定因子的識(shí)別位點(diǎn) , 為此假基因表達(dá)后通過直接競(jìng) 爭(zhēng)的方式剔除穩(wěn)定因子。5 假基因的功能假基因與正?；蛴邢嗨频男蛄?但是與正?；虼嬖诮Y(jié)構(gòu)上的差異。這些差異包括在不同部位上程度不等的核苷酸缺失或插入,在基因內(nèi)含子和外顯子連接區(qū)發(fā)生序列變化,在編碼序列當(dāng)中含有終止密碼子,或在轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)區(qū)出現(xiàn)缺陷等。

7、這些變化使此類基因不能轉(zhuǎn)錄或翻澤 ,或者產(chǎn)生有缺陷的蛋白質(zhì)從而失去了原有的生物學(xué)功能。長(zhǎng)期以來 ,人們認(rèn)為假基因是貌似正常、卻沒有功能的“死亡基因 ” ,是基因組進(jìn)化的“化石記錄 ” 劉石娟 顏梅 認(rèn)識(shí)假基因 J 生物學(xué)教學(xué) 2007 年(第 32 卷)第 12 期。但是近年來 ,關(guān)于假基因的討論日益增多 ,越來越多的試驗(yàn)證實(shí)假基因 能夠轉(zhuǎn)錄并且表達(dá)?，F(xiàn)在已經(jīng)知道，大約有5%20%的人類假基因能夠活躍轉(zhuǎn)錄，在小鼠體內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有大量的假基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。5.1 調(diào)節(jié)基因的表達(dá)相比其功能基因，相當(dāng)一部分假基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物發(fā)生了改變，這可能是受到了假基因啟動(dòng)子區(qū)域多樣性的影響。 這些轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在體內(nèi)往往不能表

8、達(dá)或僅僅在其功能基因發(fā)生特殊表 達(dá)的情況下才表達(dá)。 2003年 ，一個(gè)日本研究小組發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)有功能的假基因， Hir ot 等培育出一種轉(zhuǎn)基因小鼠，這些轉(zhuǎn)基因小鼠帶有一個(gè)名叫“性別致死” 的基因。這個(gè)外來基因在大多數(shù)小鼠身上并沒有產(chǎn)生顯著影響 ，但在某一個(gè)品系中，所有的小鼠在幼年時(shí)就死了。研究結(jié)果表明 ，在該品系的小鼠中，插入一個(gè)叫 makorinl-p l 的假基因 ，這個(gè)假基因是makorinl 基因的變異體 ，比 makorinl 基因要短很多 ，不編碼蛋白質(zhì) ，而且當(dāng)它損壞后，對(duì)應(yīng)的真基因也不工作，說明不編碼蛋白質(zhì)的基因?qū)ι嬷陵P(guān)重要。Hirot 認(rèn)為一個(gè)假基因可能調(diào)節(jié)與它們同源的功

9、能基因表達(dá)。5.2 基因調(diào)控早在 1999年 ，研究人員在靜水椎實(shí)螺中就發(fā)現(xiàn)一氧化氮合酶(NOS) 基因的一個(gè)假基因能夠轉(zhuǎn)錄形成反義 RNA， 與 NOS 正?；虻霓D(zhuǎn)錄物 mRNA 形成 RNA2 RNA 雜合體 ，進(jìn)而 抑制一氧化氮合酶的合成。 Healy 等證實(shí)了假基因 Est2 6對(duì)功能基因表達(dá)的重要調(diào)控作用。 Tr oyanovsky 和 Leube 還描述了一個(gè)功能基因與假基因共同協(xié)作編碼人類cyt okeratin17 表達(dá)的有趣試驗(yàn)。但目前對(duì)于假基因確切的基因調(diào)控功能仍有待研究。5.3 假基因干預(yù)細(xì)胞的基因沉默機(jī)制Frank 等 (2002)研究結(jié)果表明 ，有些假基因包含著許多

10、重復(fù)多次的DNA 序列 ，這種重復(fù)的 DNA 序列能夠激發(fā)某種反應(yīng) ，最終阻止特定的基因被打開，干預(yù)細(xì)胞的基因沉默機(jī)制 ，進(jìn)而影響到疾病。強(qiáng)直性肌營(yíng)養(yǎng)不良和弗里德賴希型共濟(jì)失調(diào)(共濟(jì)失調(diào)指四肢與軀體活動(dòng)不協(xié)調(diào)引起的走路、 持物不穩(wěn) ，口齒不清等現(xiàn)象 )是人類兩種與 DNA 異常有關(guān)的疾 病?？茖W(xué)家以攜帶與這兩種疾病相關(guān)的不正常的重復(fù) DNA 的試驗(yàn)鼠為對(duì)象 ，通過對(duì)這些不 正常的重復(fù) DNA 進(jìn)行操作 ，調(diào)整了基因沉默狀況，達(dá)到了影響這兩種疾病嚴(yán)重程度的目的。5.4 產(chǎn)生基因的多樣性假基因可以說是產(chǎn)生基因多樣性的源泉?？贵w多樣性的例子在人類、 兔以及其他脊椎 動(dòng)物中都能找到。 基因的轉(zhuǎn)換也可能

11、在基因與假基因之間進(jìn)行 ,假基因序列以及其他特有特 征通過自然選擇得到了保留。假基因還常常與它們的同源功能基因重組產(chǎn)生抗原多樣性 徐娜 李寶玉 柳紀(jì)省 假基因的研究和發(fā)現(xiàn) J 2009 年第 12 期 吳 浩 曹明富 假基因 J 生物學(xué)通報(bào) 2005 年 第 40 卷 第 5 期 趙云航 ,康相濤 ,孫桂榮 , 尹彥濤 ,白義春 基因的研究現(xiàn)狀及展望 J 中國畜牧獸醫(yī) 2008 年第 35 卷第 7 期 楊建雄 分子生物學(xué) M 2009 年 6 月 5 6許亮 盧向陽 易克田云假基因的研究進(jìn)展J生命的化學(xué)2003年23卷6期 黃 志 華 薛 慶 中 假 基 因 的 組 成 、 分 布 及 其

12、分 子 進(jìn) 化 J 植 物 學(xué) 通 報(bào) 2006.23(4):402404。 有報(bào)道證實(shí)一些細(xì)菌病原體存在著在表達(dá)抗原基因的時(shí)候產(chǎn)生序列多樣性的機(jī)制。最近 , 日本奇玉大學(xué)的研究人員在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)毀壞了一個(gè)假基因,結(jié)果就毀掉了一個(gè)白鼠。 美國杜克大學(xué)的科研人員給基因型相同的老鼠在胎生期間喂食維生素 B12 ,發(fā)現(xiàn)食物中假基 因含量的高低能夠影響老鼠出生后的身體顏色。6 假基因與進(jìn)化 在進(jìn)化過程中 ,假基因通過復(fù)制和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座這兩種方式不斷地在人類的基因組中出現(xiàn)。由于假基因大部分都不能轉(zhuǎn)錄 ,沒有生物學(xué)功能 ,所以不再像正常基因一樣受到進(jìn)化的選擇,而是逃避了選擇壓力 ,進(jìn)化過程很難把它們從基因

13、組里剔除出去,導(dǎo)致假基因在生物基因組中大量存在 76.1 假基因可以確定物種的親緣關(guān)系和進(jìn)化距離通常采用多序列比對(duì)工具 Clustal W 程序 ,比較功能基因和相近假基因的序列,找出假基因功能缺失的位置及終止密碼子的位置等序列特征,進(jìn)而使用 N2 J 方法來確定假基因之間或者假基因和功能基因之間的進(jìn)化距離,從而獲得以下信息 :假基因和對(duì)應(yīng)基因的進(jìn)化年代 ,插入缺失的位置偏好 ,插入缺失的序列特征 ,基因組中長(zhǎng)序列刪除的特性,單位點(diǎn)突變頻率。6.2 假基因?yàn)槲锓N的進(jìn)化提供了豐富的材料假基因與內(nèi)含子、 衛(wèi)星序列和轉(zhuǎn)位因子等冗余 DNA 一樣 ,是不受進(jìn)化的負(fù)選擇作用 的。假基因很好地保留了數(shù)百萬年