假基因研究的进展及其意义

假基因研究的进展及其意义 摘要随着人类基因组计划的不断深入，占基因组97的非表达序列正日益引起人们的关 注，而其中对于假基因的研究更成为全球范围内关注的热点，就近年来对假基因的研究进展 和意义做一综述。 关键词假基因特性与分布 产生 作用机理 功能与进化展望 假基因（pseudo gene）是指基因组中与正常基因序列相似，但是缺乏功能的DNA序列。 假基因与有功能的基因同源，原来可能也是有功能的基因，但由于缺失、倒位或点突变等。 ⑴使这一基因失去了活性，从而成为无功能基因。假基因一度由于不参与蛋白质编码而被 认为是“垃圾基因”但随着对非表达序列研究的深入，科学家发现它的重要性可能比原来认 为的要大。 1假基因的发现 假基因的概念最初由Jacq等人⑵出他们克隆了非洲爪蟾DNA中的1个5s rDNA 相关基因，通过比较其功能基因后发现，这个基因存在缺失以及错配现象在非洲爪蟾体内也 检测不出这段基因复本序列的mRNA分子，说明它没有表达活性，于是就将这个截短的 5srDNA的同源物描述为假基因。 2假基因的特性和分布 2.1假基因的特性 与相应的正常基因相比，假基因往往缺少正常基因的内含子，末端有很短一段A-T碱 基对，两侧有顺向重复序列。大多数假基因本身存在多种遗传缺陷。这些遗传缺陷包括可读 框中的无义突变;非3的整数倍的核昔酸插入或缺失导致阅读框移码;控制基因转录或剪接的 调控区的缺失突变，这些缺陷引起基因功能的损失发生在转录水平和翻译水平。 2.2假基因的分布 假基因普遍存在于生物的基因组中，假基因与其功能基因在染色体上的排列并非共线 性关系，而是散布于有活性的功能基因之间。线虫中占总数53的假基因集中在染色体短臂 末端，而这个区域只有30的基因。在果蝇中，靠近染色体中心的着丝点附近假基因分布密 度明显增加，预不在染色体上可能存在假基的热点（hotspot）。假基因在人类染色体上的分 布与染色体长度成比例，但加工假基因在GC含量为40〜46的染色体区域密度最高。 未加工假基因则聚集在基因组富含基因的区域。[3] 3假基因的产生 根据假基因形成机制的不同，假基因可分为加工假基因和未加工假基因囹 3.1加工假基因的产生 复制过程中对基因DNA序列进行修饰（无义突变、插入、缺失、移码）。导致复 制后的基因无法进行正常的编码，由此产生的缺陷引起基因功能在转录水平或翻译水平，或 两个水平上丧失，形成沉默的冗余片段，从而使其丧失正常功能不再产生蛋白质。它们往往 保留了功能基因的外显子2内含子结构，有时这种结构是不完整的。 3.2未加工假基因的产生 通过DNA转录为mRNA后，再逆转录成为cDNA重新整合进入基因组（很可能发生 在生殖细胞中），在长期进化选择过程中因为随机突变积累而丧失功能，又得以保留成为假 基因，这样产生的功能基因有缺陷的拷贝便是处理后的假基因 4假基因的作用机理 假基因的作用有序列专一性，只影响与基因本身相似的一些序列。由假基因介导的基因 调控有两种可能的作用机理DNA指导的调控和RNA指导的调控。 4.1 DNA调控的机理 假基因和基因的前700核昔酸区域的调控元件相互竞争，而对抑制蛋白的利用是有限 的，因此它们与转录抑制剂竞争性结合，从而调控功能基因的表达。 4.2 RNA调控的机理 最近显示非编码蛋白质的RNA履行了一系列的生物学功能，比如参与基因沉默、催 化和发育调控有关的小RNA,假基因与它类似的活性基因的mRNA相互竞争，与一种去稳 定蛋白质结合，这种去稳定蛋白质是一种RNA消化酶，与mRNA的起始端附近700个核 昔酸区域结合。非编码RNA起稳定 makorinlmRNA作用，并且 makorinl和 makorinl-p 1 的mRNA前700个核昔酸都含有一个稳定因子的识别位点，为此假基因表达后通过直接竞 争的方式剔除稳定因了。 5假基因的功能 假基因与正常基因有相似的序列，但是与正常基因存在结构上的差异。这些差异包括在 不同部位上程度不等的核昔酸缺失或插入，在基因内含了和外显了连接区发生序列变化，在 编码序列当中含有终止密码子，或在转录启动区出现缺陷等。这些变化使此类基因不能转录 或翻泽，或者产生有缺陷的蛋白质从而失去了原有的生物学功能。 长期以来，人们认为假基因是貌似正常、却没有功能的“死亡基因”，是基因组进化 的“化石记录”⑴。但是近年来，关于假基因的讨论| |益增多，越来越多的试验证实假基因 能够转录并且表达。现在已经知道，大约有5〜20的人类假基因能够活跃转录，在小鼠 体内也发现有大量的假基因转录产物。 5.1调节基因的表达 相比其功能基因，相当一部分假基因的转录产物发生了改变，这可能是受到了假基因启 动了区域多样性的影响。这些转录产物在体内往往不能表达或仅仅在其功能基因发生特殊表 达的情况下才表达。2003年，一个H本研究小组发现了第一个有功能的假基因，Hirot等培 育出一种转基因小鼠，这些转基因小鼠带有一个名叫“性别致死”的基因。这个外来基因 在大多数小鼠身上并没有产生显著影响，但在某一个品系中，所有的小鼠在幼年时就死了。 研究结果表明，在该品系的小鼠中，插入一个叫makorinl-p 1的假基因，这个假基因是 makorinl基因的变异体，比makorinl基因要短很多，不编码蛋白质，而且当它损坏后，对应 的真基因也不工作，说明不编码蛋白质的基因对生存至关重要。Hirot认为一个假基因可能 调节与它们同源的功能基因表达。 5.2基因调控 早在1999年，研究人员在静水椎实螺中就发现一氧化氮合酶（NOS）基因的一个假基因 能够转录形成反义RNA,与NOS正常基因的转录物mRNA形成RNA2RNA杂合体，进而 抑制一氧化氮合酶的合成。Healy等证实了假基因Est2 6对功能基因表达的重要调控作用。 Tr oyanovsky和Leube还描述了一个功能基因与假基因共同协作编码人类cyt okeratinl7表 达的有趣试验。但目前对于假基因确切的基因调控功能仍有待研究。 5.3假基因干预细胞的基因沉默机制 Frank等（2002）研究结果表明，有些假基因包含着许多重复多次的DNA序列，这种重 复的DNA序列能够激发某种反应，最终阻止特定的基因被打开，干预细胞的基因沉默机 制，进而影响到疾病。强直性肌营养不良和弗里德赖希型共济失调（共济失调指四肢与躯体 活动不协调引起的走路、持物不稳，口齿不清等现象）是人类两种与DNA异常有关的疾 病。科学家以携带与这两种疾病相关的不正常的重复DNA的试验鼠为对象,通过对这些不 正常的重复DNA进行操作，调整了基因沉默状况，达到了影响这两种疾病严重程度的目 的。 5.4产生基因的多样性 假基因可以说是产生基因多样性的源泉。抗体多样性的例了在人类、兔以及其他脊椎 动物中都能找到。基因的转换也可能在基因与假基因之间进行，假基因序列以及其他特有特 征通过自然选择得到了保留。假基因还常常与它们的同源功能基因重组产生抗原多样性可。 有报道证实一些细菌病原体存在着在表达抗原基因的时候产生序列多样性的机制。最近， 日本奇玉大学的研究人员在试验