Only Perception: 繞過 DNA 的遺傳新途徑：RNA 快取樣板！

2008-01-12

繞過 DNA 的遺傳新途徑：RNA 快取樣板！

New route for heredity bypasses DNA
http://www.physorg.com/news118682296.html

January 04, 2008

一群普林斯頓生態與演化生物學的科學家揭開了一種新的生物學機制，能為細胞內部的運作開啟一扇明晰的窗。

此外，這種機制能為所謂拉馬克式的演化（Lamarckian evolution）呈現出一種「外遺傳（epigenetic）」路徑 -- 這種路線能繞過生物正常的 DNA 遺傳程序 -- 讓生物能夠將其一生當中所獲得的特性傳遞給其後代，以改善他們的存活機率。拉馬克式的演化是種概念，例如，長頸鹿的長脖子是因為牠不斷地伸高再伸高而演化來的，以便能咀嚼更多樹頂的樹葉，並在存活上獲得更好的優勢。

此研究也有可能涉及，成為控制細胞程序的一種新方法，例如 DNA 片段的接合順序，並增進對於自然的細胞管控機制的了解，諸如 DNA 的哪一個片段在發展期間被保留或遺失。該團隊的發現將在 1/10 發表在 Nature 期刊上。

普林斯頓生物學家 Laura Landweber, Mariusz Nowacki 與 Vikram Vijayan 與其他實驗室成員想要破解細胞如何達成這種豐功偉業，那需要在不訴諸其原始遺傳程序的情況下，確認其基因組。她們選擇單細胞纖毛蟲 Oxytricha trifallax 作為她們的測試平台。

纖毛蟲是居住在池塘裡的單細胞動物，是種研究外遺傳現象的理想模型系統。雖然典型人類細胞每個都有一個細胞核，當作整個細胞的控制中心，不過纖毛蟲卻有二個。其一，體細胞核（somatic nucleus），包含需要完成所有非細胞生殖功能的 DNA，例如新陳代謝。其次，生殖株核（Germline nucleus，生殖系核），如同人類的精與卵，是有性生殖所需之 DNA 的家。

當兩隻纖毛蟲細胞交配時，體細胞核會被摧毀，然後必定會經由某種未知原因在其後代中被重構，以便讓它們能夠存活。生殖株核包含大量 DNA，然而當其再生新的體細胞核期間，在某一程序中，95% 的 DNA 都會被扔掉。該程序將相當大量的基因組（約佔人類基因組的 1/3）壓縮至細小空間中。

這只留下該生物 5% 的 DNA 自由將功能編碼。然而此剩餘 DNA 的「小」雜燴，總是會獲得正確的選擇，並接著被細胞解碼，以便在某一種尚未弄清楚，但極為謹慎且精準的程序中（被描述為「基因組特技 [genome acrobatics]」）構成一個新的、有用的基因組。

Landweber 等人假定這種程序化的 DNA 片段重新排列是由某種現存的資訊「快取（cache）」，以來自於父系細胞核之 DNA 或 RNA 樣板的方式，所指導。在電腦領域中，快取是一種為了讓經常使用之資訊能夠更快且更容易存取，而不用重新抓取或每次需要時得自原始資訊從頭開始創造的暫存地點。

"RNA 快取的想法已經持續好一段時間了，跟解決某種拼圖時藉由窺伺盒子外表的主意一樣，總是誘人的，" Landweber，生態學與演化生物學副教授。"這些細胞有基因組拼圖需要完成，那涉及聚集 DNA 片段，並將其以某種特定順序放回。然而， RNA 快取的原始構想在一項植物的研究中浮現，而非原生動物的細胞，不過這種情況在植物中結果證明是不正確的。"

透過一系列實驗，測試她們的假說：DNA 或 RNA 分子提供了發展中所需之缺失（missing）指令手冊，並試著決定這些推斷中的樣板是否由 RNA 或 DNA 所構成。DNA 是大部分生物的遺傳物質，然而 RNA 現在已知也扮演了各種重要的角色。RNA 是 DNA 的表親，建構蛋白質時，在詮釋遺傳編碼中則扮演主要角色。

首先，研究者藉由指揮特定 RNA 毀滅化學物質，稱之為 RNAi，到進行受精作用之前的細胞，企圖決定 RNA 快取這個構想是否令人信服。這獲得鼓舞人心的結果，它破壞了發展的程序，在某些案例中甚至終止了 DNA 的重新排列。

在第二個實驗中，Nowacki 與 Yi Zhou 二位博士後研究員，發現 RNA 樣板確實在細胞發展過程初期就存在，而且其壽命長到能安排某種樣式（pattern）以重構其主要細胞核。這緊接著進行第三項實驗，那 "... 真的需要放肆無禮（chutzpah），" Landweber 說，"因為這表示改寫（reprogramming）細胞需要將它自己原本的遺傳物質洗牌（shuffle）"

Nowacki, Zhou 與 Vijayan，2007 年普林斯頓電機工程畢業生，建構了 RNA 與 DNA 樣板，那編碼出一種新奇的、預先決定好的樣式。亦即，拿建構鞭毛蟲的 DNA 分子，例如片段 1-2-3-4-5，並掉換其中二個片段，以產生 1-2-3-5-4 這樣的片段。將他們的合成樣板注入發展中的細胞後，產生了預期中的結果，證實在重建一個可運作的細胞核時，特定 RNA 樣板將以這種方式，為細胞核片段的復原提供一組新規則。

"這個美妙的發現首度證實 RNA 能提供定序資訊，引導精確的 DNA 重新結合，並導致該生物所需的整個基因與基因組重建，" 姚孟肇（Meng-Chao Yao）說，台灣中央研究院分子生物學研究所所長。"那展現出遺傳資訊除了 DNA 之外還能透過 RNA 傳給下一代。"

該團隊相信，如果這種機制延伸到哺乳類動物細胞，除了這些已知的標準遺傳工程方法外，將啟發某種操縱基因的新奇方法，使得創造出新基因結合，或著將異常細胞恢復至其原本健康狀態的可能應用出現。

※ 相關報導：

＊ RNA-mediated epigenetic programming of a genome-rearrangement pathway
http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7175/abs/nature06452.html

Mariusz Nowacki, Vikram Vijayan, Yi Zhou, Klaas Schotanus,
Thomas G. Doak & Laura F. Landweber
Nature 451, 153-158 (10 January 2008)
doi:10.1038/nature06452; Published online 28 November 2007

＊ Molecular biology: RNA rules
http://www.nature.com/nature/journal/v451/n7175/full/451131a.html