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人类和果蝇的规律心跳均依赖于某些微小的基因,由于这些基因的体积较小一直以来遭到忽视。它们只能够编码30个或更少的氨基酸,属于一类称之为小开放阅读框(small open reading frames ,smORFs)的神秘序列。
人类基因组中包含有成千上万的smORFs,但小体积导致难于鉴别及确定它们的特征。除了少数的例外,没有人知道它们的功能。现在来自英国萨克塞斯大学的Juan Pablo Couso证实同源的smORFs控制了人类和果蝇的心跳,这一作用在5.5亿多年的进化过程中保留下来,由此提供了一个有说服力的例子,表明这些微小基因是应该引起更多关注的重要作用因子。他的研究发表在8月22日的《科学》(Science)杂志上。
Couso说:“可能会有成千上万的这些物质需要进行分离、描述和研究。而我们一直忽视它们直至现在,这真是太不可思议了。”
大多数的人类蛋白质长度约为500个氨基酸,而定义上smORFs却只能编码具有100个或更少氨基酸的蛋白质。利用传统的方法,很难将这些微小基因与随机序列区分开来。哈佛大学生理学家Alan Saghatelian(未参与该研究)说:“这些东西漏过了传统基因识别算法的裂隙,我们所知道的大多数的这些微小基因都是偶然被发现的。”
例如,在2003年,Couso注意到他的一只果蝇缺失了大多数的腿。他和其他人后来证实这种残缺是由于tarsal-less基因突变所导致,该基因生成了一段只有11个氨基酸的微小肽。然而,tarsal-less为昆虫和一些甲壳类动物所独有,因此仍然不清楚这样的smORFs更广泛的关联性。“我们新论文的重要之处在于,我们在果蝇中发现了另一种smORF,它同样保守存在于人类和其他动物中,”Couso说。
Tarsal-less最初被描述为是一种长链非编码RNA(lncRNA)。lncRNA一直以来被人们认为是一种可能有助于控制其他的基因,但却不会被翻译为蛋白质的序列。通过在果蝇中研究类似的lncRNAs,Couso实验室学生Emile Magny又发现了两个smORFs,分别编码28个和29个氨基酸。发现的两个smORFs都存在于一个叫做pncr003:2L的基因中,研究小组随后将它们重命名为sarcolamban。
Sarcolamban在包括心肌在内的肌肉中激活。当Magny敲除它时,果蝇的心脏则更有可能不规律地跳动,通过加入任何一种smORF编码的肽均能够修复这一缺陷。
在心脏中,sarcolamban在肌浆网活化。肌浆网是一种可响应来自神经元的电信号,释放大量的钙离子使肌肉细胞收缩的结构。没有sarcolamban,这些钙峰会变得更大更短暂,导致不规律收缩。
研究小组发现人类具有sarcolamban的相似物:两个30个氨基酸构成的蛋白质sarcolipin和phospholamban。它们也在肌浆网中控制了钙的流动,在以往的研究中sarcolipin被证实与人类心律失常有关。“通过临床研究,众所周知这一基因与心律失常有关,但却没有人关注到它是一种smORF,”Couso说。
这些smORFs均起源于一个祖先基因,尽管经历了5.5亿年的进化分离,它们似乎仍在心脏控制中发挥相同的作用。通过证实人类和果蝇的smORFs可互相取代,研究小组确证了这一点。人类sarcolipin和phospholamban可定位到果蝇细胞的右部,部分纠正sarcolamban缺失引起的心律失常缺陷。
这可能只是冰山的一角。几个研究小组通过系统搜索各种基因组已经发现了成千上万个smORFs,但目前尚不清楚它们的功能。“我们基本上知道它们在那里,但我们却不知道它们是否具有功能。新研究工作表明这些不为人了解的元件在生物学上是有意义的,”Saghatelian说。
Couso怀疑大约五分之一的lncRNAs实际上包含可生成蛋白质的smORFs。“我们还不知道在这一新基因池中能够发现什么样的问题,以及对应什么样的答案。”