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科学松鼠会

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有心育花花变浅——什么是是转基因沉默?   

2014-09-15 11:08:01|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:一起剥坚果

作者:许秀华

在转基因作物研发过程中,有个现象一直困扰着转基因科学家们,基因虽然转入了植物体,但是外源基因不能稳定表达,甚至完全不表达,这就是转基因沉默现象。1994年,曾经有两位美国科学家Bryeyne和Montago在当时从事转基因作物研发的30多家企业中做过一项调查,调查结果表明,几乎所有的公司都遭遇过转基因沉默的困扰。在高等植物中,约30%的转基因试验都发现了转基因沉默现象。在谷类作物中,超过50%的转入基因在世代传递过程中出现了转基因沉默。所以,研发出一个稳定的可以遗传的转基因作物是多么不容易。题外话,费了九牛二虎之力研发出来的转基因作物,老百姓却不喜欢,甚至坚决抵制,转基因科学家的挫败感该有多深?

转基因沉默现象是如何发现的?

说来话长。

科学家最早注意到转基因沉默现象是在1986年,Peerbolt在向烟草转入外源基因时,发现转入的基因没有表达,而不表达的原因在于DNA分子出现了甲基化。

4年后的1990年,Jorgensen等人想对一种茄科花卉紫花矮牵牛在基因上动些手脚。他们认为紫花矮牵牛的颜色显然不够紫,他们想得到颜色更深的矮牵牛花。紫色的深浅是由花青素的含量高低决定的。而查尔酮合成酶的含量决定着花青素的合成速度。

无标题1

【紫色矮牵牛花】

Jorgensen等人就想到,如果有办法让矮牵牛植株里查尔酮合成酶的数量变得
更多,是不是可以合成更多的花青素,这样不就可以得到颜色更深的矮牵牛花了吗?

他们确实也是这么做的。

结果事与愿违。矮牵牛的花不仅没有变得颜色更深,反而变成了白色或和白紫相间,并且这些矮牵牛花中查尔酮合成酶的浓度只有正常矮牵牛花的50分之一。

这就像往盐水里加入更多的盐,本来应该得到更咸的盐水,为什么盐水反而变成了淡水?Jorgensen推测:外源转入的编码查尔酮合成酶的基因可能抑制了花中内源查尔酮合成酶基因的表达。也就是说,当转入外源基因后,矮牵牛体内原有的同类基因不再发挥作用了,同时,外源基因也不能发挥作用。Jorgensen发现的这种现象,就是转基因沉默。

约根森有心育花花变浅,没有得到颜色更深的紫色牵牛花,却无心插柳,得到了一种广受欢迎的牵牛花新品种,今天这种白紫相间的牵牛花正在世界各地广泛栽培。无标题2

转基因沉默现象的机理

转基因沉默现象的发生,反映了生物体在基因调控水平上的一种自我保护。这种保护机制可以让生物体避开生活过程中随机进入细胞核内,甚至整合到基因组上的外源基因干扰,保持生命体征的稳定,维持物种在一个相当长时间内的稳定。

然而其背后的分子机理是什么?

科学家们发现,转基因沉默有很多机理。但是各种机理归根结底都离不开DNA-DNA、DNA-RNA和RNA-RNA相互作用。

例如,DNA以及其启动子的甲基化,在之前提到的1986年的烟草实验中的转基因沉默即是这种原因。植物细胞中DNA甲基化水平是很高的,核基因组中大约20-30%的胞嘧啶都处于甲基化状态。植物DNA甲基化引起外源基因失活,可能是一种有效识别并抵制外来DNA的防御机制。植物染色体上四种碱基A、T、G、C的组成是不均一的,某些区段常有确定的GC含量。外源DNA的插入破坏了其原有的组织结构,引起了植物的抵抗机制。

随着对转基因沉默机制的研究,科学家还发现了一种称为RNA干扰的基因调控机制。RNA干扰可以有效地解释Jorgensen的矮牵牛花实验。

在Jorgensen实验中,外源的查尔酮合成酶基因已经被成功地转入矮牵牛植物体中,并且基因发生了转录,产生了mRNA,然而基因的表达却停止在了这一步,没有继续向下进行,产生的mRNA很快被降解掉,不能维持在一个稳定的数量上。产生这种现象的原因在于矮牵牛植物体内本身就存在查尔酮合成酶基因,这个基因和转入的外源基因有着序列上的同源性。

为什么转入一个植物体自身也有的外源基因就这么麻烦,不能产生1+1=2的效果,反而成了1-1近似于0?

科学家推测,生物体可能有一套自我保护机制,不允许某个基因过度表达,产生太多的某种蛋白质,因此提出了RNA阈值模型。即细胞只能容纳或者处理一个特定阈值之下的特定基因转录的mRNA。一旦转录出来的mRNA数量超过了这个阈值,细胞内就会反转录合成一段与mRNA序列刚好相反的cRNA,两者结合成双链RNA后,就会作为靶子,被细胞特异性地降解掉。

在Joegensen的实验中,外源和内源的查尔酮合成酶一下子转录出了太多的mRNA,触发了植物体的自我保护机制,于是连入侵者,带自己的人民玉石俱焚。查尔酮合成酶的生成被抑制后,预期中的花青素就只能半路夭折,得到白花或者白紫相间的花色就成为了必然。

转基因沉默启动了基因敲除等新篇章

在基因工程这门技术停滞在专注于研究基因分离、转入的时代里,转基因沉默曾是困扰科学家的一大难题。然而,凡事都是有弊必有利。随着对转基因沉默研究的逐渐深入,科学家发现,转基因沉默似乎是打开一扇新的大门:既然植物能够天然利用同源或者互补的RNA或DNA序列,在RNA以及DNA水平上调控基因的表达,为什么我们不效仿天然,探索基因调控的奥秘?

他们首先想到,每个物种在进化过程中都会由于突变或者其他原因带有一些对自身不好的基因,如果这些基因不幸落在某个个体身上,并且基因正常表达,那个个体就会患有遗传病。如果想个办法不让这个坏基因表达,问题不就解决了吗?于是他们就利用RNA干扰,这个曾让Jorgensen的紫花梦想流产的机制,来解决这个问题,他们给这个办法起名叫做基因敲除,也叫做基因沉默。

具体做法是,在已知坏基因序列的情况下,就知道了它转录的mRNA 序列,这样只要合成一段与mRNA序列互补的小片段RNA,把它注射到细胞内,和坏的基因的mRNA形成双链DNA,就可以把这些坏mRNA 降解掉。用这种抱着敌人同归于尽的办法,就可以最大程度地消除坏基因的影响,而无需转入新的基因或者注入其它药物。现在,在农作物上基因敲除已经成为了品种改良的一个主要做法。

人体内有3万个基因,其他的生物体内的基因数量也都数以万计。如何确定某一种基因的功能?“我不在,你就想到我的重要性了。”科学家用的就是这个办法。科学家用基因敲除的办法,暂时让某个基因失去功能,然后观察分析生物体出现了哪些异常,进而就可以推断基因的大致功能。这就是基因敲除技术在功能性基因组学上的应用。

现在转基因沉默对科学家的困扰已经成为了十几年前的过去时了,今天科学家已经掌握了更好的基因定位和时空特异性表达等调控技术。今天科学家研究的热点是基因编辑。想象一下,科学家将像我们在电脑上修改文章一样,对基因组进行拼写检查,字句修订?当然你可以对新技术保持乐观,也可以保持悲观,这是您个人的选择,但是最好是保持客观。

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