遗传学家们给DNA踩了刹车，揭示了关键的发育过程

普林斯顿大学(Princeton University)的研究人员揭示了果蝇胚胎基因抑制机制的内在机制，为人类疾病的研究增添了新的洞见。

在研究生香农·基南(Shannon Keenan)的带领下，研究小组利用光来激活果蝇发育过程中的化学信号，并追踪其对一种名为Capicua或Cic的蛋白质的影响。Cic位于细胞核内，与DNA结合，执行使基因沉默的特殊任务。这项研究发表在《发育细胞》杂志上，并于3月5日在网上发布，揭示了这种蛋白质的基因抑制动态。

一个果蝇胚胎显示出荧光点，表明DNA转录在沿着腹部的不同点进行。普林斯顿大学最近的一项研究以前所未有的方式研究了基因抑制是如何起作用的，揭示了阻止基因编码某些部分转录的系统动力学。

Image courtesy of the researchers

在一篇复杂的音乐作品中，贯穿旋律的沉默和发出的音符一样对乐谱的效果起着重要的作用。控制发展的生物过程依赖于高度复杂的基因激活和抑制的时间模式，从而创造出生命美丽的交响乐。当一个模式被打乱时，它就像一个错误的音符。在这种情况下，Cic是一种抑制蛋白，它抑制基因组的某些部分，允许其他基因彼此和谐地表达。了解像Cic这样的抑制因子是如何工作的，可以让研究人员更好地指挥管弦乐队。

“告诉你不要做某事的信号和告诉你要做某事的信号一样重要，”化学和生物工程教授、路易丝-西格勒整合基因组学研究所(louis – sigler Institute for Integrative Genomics)的斯塔尼斯拉夫·施瓦采曼(Stanislav Shvartsman)说，他也是西蒙斯基金会(Simons Foundation)熨铁研究所(Flatiron Institute)的组长。该研究的首席研究员、基南的博士顾问谢瓦茨曼说，虽然Cic和它的目标基因都已经建立，但对基因抑制的动态机制知之甚少。“激活和抑制基因的蛋白质可以比作汽车的油门踏板和刹车，”他说。“我们很了解油门踏板的工作原理。这是我们第一次看到刹车在起作用。”

包括1996年诺贝尔生理学或医学奖得主、斯奎布分子生物学教授威斯古斯(Eric Wieschaus)在内的这组作者，把重点放在了一种名为ERK的关键酶上，这种酶能将信号从细胞表面传递到细胞核。通过光控制ERK，在精确的时间序列中，他们可以分析出酶是如何以及何时与Cic蛋白结合的。他们发现，在ERK激活约5分钟后，Cic蛋白被灭活，这使得它的目标基因(通常被抑制)打开。值得注意的是，镇压恢复得同样快，显示出非常快的反应时间。

除了对基因抑制的动态机制提供了前所未有的观察，这项研究还揭示了一个有待进一步探索的丰富的新领域。数亿年来，自然选择一直在调整这些过程。他们的时机选择并非偶然。据基南说，这种机制的快速反应时间可以保护细胞不受生化噪音的干扰，否则就会导致灾难性的错误。

由研究生香农·基南(Shannon Keenan)、斯坦尼斯拉夫·施瓦茨曼(Stanislav Shvartsman)教授(右)和埃里克·威斯肖斯(Eric Wieschaus)教授(左)领导的研究人员利用光来控制一种抑制基因的蛋白质，这种蛋白质与疾病和发育障碍的发病有关。

Photo by

Sameer A. Khan/Fotobuddy

“苍蝇胚胎是一个非常强大的系统，”基南说，“我们从中学到的东西指导我们理解和治疗人类疾病，包括癌症，Cic通常在这些疾病中发生突变。”

基南从对解决人类健康问题的兴趣出发，来到了化学和生物工程。她想用她所有的技能来帮助别人，她擅长数学和科学。“我从没想过我会和果蝇一起工作，”她笑着说。“当我来到普林斯顿大学时，我遇到了Stas [Shvartsman]，他向我展示了所有这些在果蝇胚胎中开启基因的图片。太美了。”

参与这项研究的其他人员包括来自西北大学的Shelby A. Blythe，以及Robert A. Marmion和Nareg j – v。Djabrayan,从普林斯顿大学。这项工作得到了美国国立卫生研究院的支持。