生物化学家将基因组历史拼凑在一起

在探索RNA剪接和人类基因组的进化起源和历史时，美国加州大学圣地亚哥分校生物化学家Navtej Toor和Daniel Haack结合单个分子的2D图像重建了RNA的一部分——第二类内含子的3D照片。正如好莱坞的编辑们剪下不需要的电影帧，然后补上想要的帧来制作一部电影，人类的身体也在做着类似的事情：通过一个叫做RNA剪接的生化编辑过程，每秒几万亿次地编辑着制造细胞中许多蛋白质的蓝图——信使RNA。在此过程中，他们发现了与RNA催化相关的大规模分子运动，这为RNA剪接的起源及其在地球生命多样性中的作用提供了证据。这一突破性的研究发表在最新一期的《细胞》杂志上。

“我们正试图了解人类基因组是如何从原始祖先进化而来的。每个人类基因都有不需要的非编码帧，必须在基因表达前去除，这就是RNA剪接的过程。”化学和生物化学系副教授Toor说。15%的人类疾病是这个过程出现问题导致的结果。

Toor解释说，他的团队致力于了解70%的人类DNA的进化起源。这部分DNA由两种类型的基因元件组成，科学家们认为，它们都是从第二类内含子进化而来的。第二类内含子是一类具有酶催化功能的内含子，转录成RNA后，可以自我剪切。确切地说，剪接体内含子（约占人类基因组的25%）是非编码序列，必须在基因表达前去除。剩下的45%是由逆转录因子衍生的序列组成的。这些基因元件将自己插入到DNA序列中，并在基因组中跳跃，通过RNA中间体复制自己。“研究第二类内含子让我们对大部分人类基因组的进化有了更深入的了解。”Toor说。

Toor和论文第一作者、加州大学圣地亚哥分校博士后学者Haack合作，利用第二类内含子RNA纳米机器，从一种生活在高温下的蓝藻中分离出了第二类内含子复合物。Haack说：“由于来自高温生物的第二类内含子复合物具有天生的稳定性，因此有助于结构的确定。这种RNA剪接的进化可能导致了地球上生命的多样化。”

Haack和Toor发现，第二类内含子和剪接体在RNA剪接过程中，具有共同的移动催化组分的动力学机制。他说：“这是迄今为止最有力的证据，证明剪接体是由第二类细菌内含子进化而来的。”此外，这些发现揭示了第二类内含子是如何通过逆转录转位将自己插入DNA序列中的。这种复制粘贴的过程导致自私的逆转录因子在人类DNA中增殖，形成基因组的很大一部分。Toor指出：“这些逆转录因子的复制在塑造现代人类基因组结构方面发挥了重要作用，甚至还与灵长类动物的物种形成有关。”

研究人员利用低温电子显微镜（cryo-EM）提取了第二类内含子的分子结构。他们将RNA冷冻在一层薄冰中，然后发射电子穿过这个样本。据科学家说，电子显微镜可以将图像放大3.9万倍。最后将单个分子的2D图像组合在一起，得到第二类内含子的3D视图。

“这就像是分子考古学。”Haack说，“第二类内含子是活化石，让我们得以一窥地球上复杂生命最初是如何进化的。”