人体中被忽视的60%“垃圾DNA”并非毫无作用,或与衰老有关!

人体中被忽视的60%“垃圾DNA”并非毫无作用,或与衰老有关!

几十年来,超过60%的人类基因组被认为是“垃圾DNA”,在人类发展过程中几乎没有或完全没有作用。科罗拉多州立大学最近的一项研究对“垃圾DNA”的重要性提出了挑战。

6月5日发表在《衰老细胞》(Aging Cell)杂志上的一项新研究发现,一部分被称为重复元素转录本的非编码遗传物质可能是衰老过程的一个重要生物标记。

CSU科伦拜恩健康系统中心的健康老化助理教授Tom LaRocca领导这项研究,调查越来越多的证据,重复元素——转座子和其他序列出现在人类基因组的多个拷贝——会随着年龄的增长变得活跃。

LaRocca、研究生Alyssa Cavalier和博士后研究员Devin Wahl专门研究RNA转录本,即重复元素DNA转录的分子,以测试它们是否会随着年龄增长而增加。

“生物标志物的角度在这里很重要。”LaRocca说,“10到20年后,我们可能会从医生的办公室里采集样本或进行某些测量,从而了解他们的生理状况,这样我们就能知道如何最好地治疗他们,最大限度地延长他们的健康寿命。如果这些重复元素RNA是衰老的生物标记,那么也许有一天你可以做这样的测量来看看重复元素是如何被表达的。它们是不是太多了?这会有什么问题吗?”

绘制RNA

为了进行这项研究,研究人员首先分析了从1-94岁的健康受试者皮肤细胞中收集的现有RNA测序数据。正如20世纪90年代的人类基因组计划(Human Genome Project)试图对人类DNA中大约20500个基因进行测序和绘制图谱一样,RNA测序也能提供被研究细胞中整个转录组的图谱。通过计算分析,研究人员发现,在年龄较大的受试者中,大多数主要类型的重复元素的转录本都有所增加。

在第二波研究中,研究人员通过对生物库中的皮肤细胞进行自己的实验室分析,验证了他们最初的发现。使用荧光显微镜,研究人员标记了一个特定转座子Charlie5的转录,观察它是如何随着细胞年龄的变化而变化的:标签在显微镜下显示得越亮,Charlie5转录就越能被检测到。

正如假设的那样,与年轻人的细胞相比,老年人的皮肤细胞显示了Charlie5转录本的显著积累,表明重复性元素RNA似乎随着年龄的增长而积累。

虽然这是一个重要的观察结果,但这项研究更重要的结果是重复的RNA转录可能与生物年龄或人体细胞的健康有关,而不是与实际年龄相关。

“如果你发现某些东西会随着年龄的增长而逐渐变化,单凭这个发现并不一定有趣,因为很多东西会随着年龄而增长或减少。你真正想找到的是能够反映生物衰老的东西。”“例如,假设你是一个吸烟者,你承受着长期的压力。那么,即使你只有45岁,你的生理年龄——细胞的健康状况——可能实际上已经有60或65岁了。我们认为重复元素的转录本可能是这种情况的一个标志。”

与衰老有关

为了研究生物年龄,Cavalier进行了一项分析,将暴露在阳光下的皮肤细胞与未暴露在阳光下的皮肤细胞进行了比较。该理论认为,皮肤细胞暴露在紫外线下的破坏性越大,从生物学角度来说,细胞就越衰老。与假设一致的是,Cavalier注意到在阳光照射下的细胞中有较高水平的重复元素RNA。

通过研究Hutchinson-Gilford早衰综合征(HGPS)患者的皮肤细胞,以及研究蛔虫秀丽隐杆线虫的RNA测序数据,研究人员进一步证实了重复性元素转录量和生物年龄之间的联系。

为什么重复性元素转录本会随着年龄的增长而增加?研究人员怀疑,染色质——细胞中典型的抑制重复元素表达的DNA和蛋白质复合物——可能会被破坏,从而允许重复元素的转录。

总而言之,对于过去被科学家们忽视的一部分基因组,越来越多的证据表明,非编码RNA和重复元素在调节人类基因组的其它部分中发挥着重要作用,在这种情况下,它们可能是衰老的靶标。

“这是一大块基因组,在很长一段时间里,没有人真正知道它做了什么,所以他们只是假设它是垃圾。但我们越来越多地发现,这些非编码区域可能不仅有作用,而且可能对健康有实际的影响。” Cavalier说。

LaRocca的Healthspan生物实验室未来的研究将比较经常运动的人和不了解运动如何影响重复元素水平的人的染色质结构。其它研究将研究使用药物抑制重复元素RNA转录的可能性。

“垃圾DNA”走上舞台

以前被认为是无功能的DNA序列编码的RNA分子可能在细胞应激反应中发挥重要作用,并有一天可能导致癌症治疗。2016年,A*STAR研究人员发现了一类响应氧化应激的长非编码RNA,并对其在应激刺激和细胞类型中的功能进行了表征和说明。

研究小组发现,人类皮肤和肺细胞受到氧化应激的影响,从而刺激细胞修复和存活的途径。虽然编码蛋白质的基因通常受到抑制,但应激导致非编码基因组区域产生数千个RNA分子,称为“长非编码RNA (lncRNAs)”。

研究人员说lncRNAs的作用是一个谜。“我们不知道它们的功能,甚至不知道它们是否有功能。它们可能在新基因的进化中起作用;帮助细胞对压力做出反应;与基因或蛋白质相互作用;或者,所有这些都有”

出人意料的是,lncrna被发现聚集在蛋白质聚集的多体结构上。这些发现的意义可能与从慢性压力到神经退行性疾病的医疗条件有关。某些类型的lncrna在癌细胞中很常见,可能是治疗的直接靶点。

在另一研究中,来自麻省总医院(MGH)的研究人员发现了一种被认为是无功能的“垃圾”RNA分子的惊人作用:控制细胞对压力的反应。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

原文来源:

https://phys.org/news/2020-08-clues-aging-junk-dna.html

https://medicalxpress.com/news/2016-01-junk-dna-center-stage.html

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文章标题: 人体中被忽视的60%“垃圾DNA”并非毫无作用,或与衰老有关!