Functional dissection of ultraconserved non-coding regions present near the Hoxd complex in vertebrates
本研究利用 CRISPR-Cas9 基因组编辑技术在斑马鱼中进行实验，旨在证明虽然 Hoxd 复合物内 CR2 和 CR3 区域内的核心超保守序列在发育上是不可或缺且缺失会导致致死性的，但它们的移除并不会显著改变 Hoxd 基因的表达或宏观形态发育，这表明这些元件可能通过微妙的转录抑制或冗余机制发挥作用。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
在从鱼类到人类的所有脊椎动物的遗传密码深处，都隐藏着一套如同身体总建筑师般的指令集。这些被称为Hox基因的指令决定了头部在哪里结束、尾部从哪里开始，并指挥着肢体和内脏器官的形成。虽然这些基因本身已被充分理解，但它们之间的空间却充满了神秘的非编码DNA序列，这些序列并不制造蛋白质，而是充当开关、调光器和停止标志，以控制Hox基因在何时何地开启。在这些序列中，存在着超保守元件（ultraconscered elements），即那些在数亿年的进化过程中几乎保持完美不变的DNA片段。它们的极端稳定性表明它们至关重要，然而科学家们长期以来一直难以解释它们的具体功能，因为在以往的实验中，移除这些元件后的动物往往看起来完全正常。这一悖论在人类理解生命如何构建自身的过程中留下了一个空白。
来自印度CSIR细胞与分子生物学研究中心的科研团队致力于解决这一谜团，他们将研究重点放在了位于斑马鱼Hoxd基因复合物附近的三个特定高度保守区域上。这些被科学家称为CR1、CR2和CR3的区域长度均超过200个碱基对，并且在人类、小鼠和鱼类之间几乎完全相同。为了了解它们的真实功能，研究人员使用一种精确的基因编辑工具从斑马鱼基因组中切除了这些区域，创造出一系列缺失不同部分的鱼类。他们测试了从删除整个区域到仅移除微小子部分的各种情况，希望观察鱼类是否会出现鳍部缺失、脊柱畸形或其他可见的缺陷。
结果揭示了本质必需部分与非必需部分之间的鲜明界限。当研究人员试图删除CR2和CR3中最核心、高度保守的部分，或同时删除这两者时，基因变化极其严重，导致鱼类无法存活至成年。这些特定的缺失从未传递给下一代，这表明这些核心序列是生命不可或缺的组成部分。然而，当团队移除CR2边缘一个较小的、保守程度较低的626个碱基对片段时，他们成功培育出了一群健康且具有繁殖能力的稳定鱼群。这些鱼在外观上与正常个体没有可见差异；它们的身体发育正确，骨骼完整，鳍部也发育正常。
尽管缺乏物理缺陷，研究人员仍在分子水平上进行了更深入的观察，以查看缺失的部分是否产生了细微影响。他们检查了突变鱼类中的Hoxd基因活性，发现这些基因仍能在正确的时间和地点开启。然而，通过对基因总活动量进行的敏感测量显示，与正常鱼类相比，突变鱼类的这些基因表达量有非常轻微且持续的增加。这表明被删除的部分通常充当一个非常微弱的刹车，略微抑制Holsd基因的活性。失去这个刹车后，基因运行得快了一些，但这种增加并不足以引起鱼类身体出现可见的问题。
这项研究还发现，这些保守区域不仅仅是静态的开关，还会被转录成RNA分子，即一种遗传信使。这些RNA分子在发育早期出现，并遍布于胚胎各处，随后定位于头部和大脑的特定区域。研究人员提出，这些RNA分子可能通过重新结合自身的DNA来协助调节附近的Hoxd基因，从而实现系统的精细调节。研究结果表明，这些DNA序列之所以如此极端保守，并非因为它们在每种语境下都具有同等重要的生存意义，而是因为这些区域的核心包含了生命不可逾越的指令，而周围的边缘则提供了一种精细调节功能，这种功能对于复杂的哺乳动物可能比对于鱼类更为关键。这项工作阐明了，虽然基因组中的某些部分至关重要到一旦丢失便会导致死亡，但其他超保守部分则承担着更为微妙的角色，作为精确的调节器，确保身体的蓝图平稳运行，而不会在发生轻微改变时引发危机。
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