沿動(dòng)物體軸的解剖特點(diǎn)有著顯著的差異——例如頭部、胸部和腹部的差異，這些差異是由Hox蛋白家族成員決定的。但是，幾乎就在Hox基因剛被發(fā)現(xiàn)時(shí)，科學(xué)家們就開(kāi)始思索，不同的Hox蛋白如何能夠激活特定的基因？因?yàn)樗羞@些蛋白能夠結(jié)合相同的DNA序列。最近，美國(guó)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的科學(xué)家David Stern稱，他和他的同事們已經(jīng)解決了這個(gè)悖論。

    Stern——霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所Janelia Research Campus的研究組長(zhǎng)，及其博士后研究人員Justin Crocker,與哥倫比亞大學(xué)的Richard Mann合作，調(diào)查了“Hox特異性悖論”.他們的研究表明，Hox蛋白通過(guò)與基因組中先前未知的DNA結(jié)合位點(diǎn)之間的弱相互作用，觸發(fā)基因的活性，而不是研究更深入的和更容易識(shí)別的高親和力結(jié)合位點(diǎn)。

    Stern說(shuō)：“這些位點(diǎn)——我們一直認(rèn)為是很好的Hox位點(diǎn)，并沒(méi)有提供決定動(dòng)物身體前后軸差異的特異性。高親和力位點(diǎn)并不是造就動(dòng)物的位點(diǎn)。”Stern、Mann及其同事將其研究成果發(fā)表在2015年1月15日的《Cell》雜志。

    Hox基因可產(chǎn)生稱為轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)，轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)結(jié)合DNA并打開(kāi)相應(yīng)的基因，可幫助塑造動(dòng)物身體不同部分的身份。果蠅有8個(gè)不同的Hox基因；人類有40個(gè)以上。但是Stern說(shuō)，幾十年來(lái)，Hox蛋白之間很強(qiáng)的相似性一直都困惑著科學(xué)家們。

    他說(shuō)：“所有的Hox基因，實(shí)際結(jié)合DNA的結(jié)構(gòu)域有著非常相似的蛋白質(zhì)序列。然而，它們必須要調(diào)節(jié)不同的基因亞群，以使頭部不同于胸部和腹部。它們是如何做到這一點(diǎn)的，并不是完全清楚。”

    各種實(shí)驗(yàn)方法都不能解釋不同Hox蛋白如何靶定獨(dú)特的基因。不同Hox基因的結(jié)構(gòu)表明，它們都以極高的親和力與相同的DNA序列結(jié)合。當(dāng)Hox蛋白與DNA在試管中混合時(shí)，它們都傾向于結(jié)合相同的序列。Mann在2009年發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)輔助因子通常結(jié)合與Hox蛋白在一起的DNA,從而使得Hox結(jié)合的細(xì)節(jié)更加復(fù)雜：當(dāng)一個(gè)Hox蛋白及其輔助因子結(jié)合鄰近的DNA片段時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可識(shí)別DNA中的特定形狀，這些新結(jié)構(gòu)根據(jù)Hox蛋白質(zhì)而有所不同。但是Stern說(shuō)，在試管實(shí)驗(yàn)中，Hox蛋白加上它們的輔助因子，仍然結(jié)合相同的序列。他解釋說(shuō)：“你得到了一些特異性，但不是很多。”所以悖論繼續(xù)存在。

    在對(duì)物種多樣性的遺傳原因的研究中，Stern詳細(xì)地檢測(cè)了shavenbaby基因的調(diào)控，該基因可驅(qū)動(dòng)一種特定模式的短、粗壯毛發(fā)（稱為毛狀體）的產(chǎn)生，其存在于果蠅幼蟲(chóng)中。Shavenbaby在穿過(guò)果蠅幼蟲(chóng)某些體段的條紋中是打開(kāi)的，表明它可能處于Hox的控制之下。所以當(dāng)Stern和Mann決定共同努力弄清Hox蛋白如何獲得其特異性時(shí)，shavenbaby似乎是一個(gè)很好的開(kāi)始。

    Stern實(shí)驗(yàn)室博士后Crocker表明，該基因?qū)嶋H上處于一個(gè)Hox蛋白（稱為Ubx）的控制之下，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ubx缺失時(shí)，Ubx結(jié)構(gòu)域中沒(méi)有產(chǎn)生毛狀體。相反，通過(guò)將Ubx引入其他體段，他能夠制備一種果蠅，具有不屬于它們的毛狀體。然后，他發(fā)現(xiàn)，Ubx控制兩個(gè)影響shavenbaby表達(dá)的特異性增強(qiáng)子區(qū)域。

    Ubx對(duì)shavenbaby增強(qiáng)子的影響似乎很明確，然而，當(dāng)科學(xué)家們檢測(cè)增強(qiáng)子的DNA序列時(shí)，他們找不到任何與經(jīng)典Hox結(jié)合位點(diǎn)相似的區(qū)域。所以，Mann實(shí)驗(yàn)室利用生化實(shí)驗(yàn)來(lái)尋找Ubx結(jié)合的物理證據(jù)。通過(guò)在同一時(shí)間掃描增強(qiáng)子片段，他們存在Hox輔助因子的情況下，發(fā)現(xiàn)了Ubx微弱結(jié)合的位點(diǎn)。每個(gè)增強(qiáng)子包含一組這些低親和力的結(jié)合位點(diǎn)。Stern說(shuō)：“這些序列看起來(lái)根本不像以前已知的Hox結(jié)合位點(diǎn)——一個(gè)都不像。”

    當(dāng)Crocker制備具有這些序列突變的果蠅時(shí)，shavenbaby表達(dá)和毛狀體生產(chǎn)都受到影響。一個(gè)Ubx結(jié)合位點(diǎn)不足以激活這個(gè)基因，但是當(dāng)結(jié)合位點(diǎn)集群是完整的時(shí)候，足夠的Ubx可結(jié)合增強(qiáng)子，激活shavenbaby,并開(kāi)啟毛狀體的生產(chǎn)。該研究小組利用來(lái)自不同種果蠅shavenbaby增強(qiáng)子，也獲得了相似的結(jié)果?？茖W(xué)家們認(rèn)為，Hox蛋白通過(guò)結(jié)合基因組中低親和力的位點(diǎn)集群，而獲得特異性。實(shí)際上，他們指出，許多轉(zhuǎn)錄因子可能與低親和力位點(diǎn)集群結(jié)合，他們的發(fā)現(xiàn)可能廣泛應(yīng)用于Hox家族基因調(diào)控之外。

    這些結(jié)果解釋了為什么科學(xué)家們很難根據(jù)序列數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)Hox蛋白與DNA的結(jié)合部位，Stern說(shuō)：“對(duì)于Hox基因來(lái)說(shuō)，生物信息學(xué)分析大致上已經(jīng)無(wú)用了?，F(xiàn)在我們知道了其中的原因。它們沒(méi)有結(jié)合每個(gè)人都認(rèn)為它們會(huì)結(jié)合的部位——它們結(jié)合這些看起來(lái)甚至不像Hox結(jié)合位點(diǎn)的部位。”

    Mann補(bǔ)充說(shuō)：“很多領(lǐng)域一直專注于高親和力位點(diǎn)這些容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，它們更容易通過(guò)計(jì)算方法識(shí)別。但是我們需要探討這些低親和力結(jié)合位點(diǎn)，以真正理解特異性問(wèn)題。”

    Stern說(shuō)，該研究還強(qiáng)調(diào)了量化增強(qiáng)子功能影響的重要性。當(dāng)研究小組逐個(gè)淘汰shavenbaby增強(qiáng)子中的Hox結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，所導(dǎo)致的基因表達(dá)變化是很細(xì)微的。Crocker說(shuō)：“每一次我們做實(shí)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)，它看起來(lái)都同樣有效。”但是通過(guò)計(jì)算單個(gè)毛狀體和開(kāi)發(fā)基因表達(dá)的其他量化措施，Crocker能夠提供每個(gè)位點(diǎn)重要性的有力證據(jù)。

    該研究小組繼續(xù)檢測(cè)當(dāng)他們將果蠅暴露于不太理想的條件（較高或較低溫度，以及Ubx降低的基因水平）時(shí)，對(duì)增強(qiáng)子功能有何影響？在這種情況下，所有Ubx結(jié)合位點(diǎn)是保持正常shavenbaby活性所必需的。Stern稱：“這證明，這些位點(diǎn)集群是提供增強(qiáng)子穩(wěn)健性的部位。”

    原文檢索：

    Low Affinity Binding Site Clusters Confer Hox Specificity and Regulatory Robustness