从啤酒到大脑：酵母分子遗传学如何证明内含子的重要性

科学发现往往来自最不可能的地方，特蕾西·约翰逊博士的工作也不例外。在加州大学洛杉矶分校，约翰逊博士和她的团队利用一种通常用于制作啤酒或面包的酵母系统，发现了重要的基因发现，可以突出基因表达过程中内含子保留的重要性。她的研究着眼于基因表达科学，研究细胞合成、剪接和处理RNA的方式，以生成调节我们人类功能的关键蛋白质。

当你想到人体时，你可能会想到骨头、器官或皮肤。但是，那些使我们每个人都独一无二的基因呢?那些表示我们头发颜色、眼睛颜色和身高的生物指纹呢?

我们在受孕时从父母那里接收到的46条染色体，会在以后的生活中塑造我们的身体。它们携带的2万个基因负责产生许多蛋白质和酶，这些蛋白质和酶对保持我们身体内的所有细胞过程正常运作至关重要。

基因提供了决定我们身体中每个细胞如何运作的生物信息——从产生关键酶，到制造对细胞生长和增殖至关重要的蛋白质。然而，为了合成这些重要的蛋白质，基因必须首先经过关键的转录过程。

转录和翻译基因
转录是使用称为RNA聚合酶的酶将DNA复制到信使RNA（mRNA）中的过程。该酶有效地“解压缩”DNA的双螺旋，分离DNA核苷酸碱基之间的氢键 - 腺苷（A），胞嘧啶（C），鸟嘌呤（G）和酪氨酸（T）之间。然后将RNA聚合酶与现有的单一DNA链（C-G; G-C; A-U; U-A）匹配，形成mRNA链（URACIL（U）取代DNA中发现的酪氨酸）。然后出口该mRNA链，使其可以转化为蛋白质。

翻译是MRNA链用作制造蛋白质的模板的过程。在此过程中，MRNA链由核外部的核糖体解码，以产生特定链的氨基酸链。该链后来折叠成变成细胞的活性功能，功能蛋白质。

基因提供了决定我们身体中每个细胞如何运作的生物信息——从生产关键酶，到制造对细胞生长至关重要的蛋白质

拼接一起研究
在基因表达的转录阶段期间，RNA在出口和翻译之前经历“加工”。一个关键反应，RNA剪接将新生预光标信使RNA（前mRNA）涂成形成蛋白质所需的成熟mRNA链（图1）。该方法从预-mRNA中去除称为内含子的核苷酸序列。执行该过程的分子机称为抗缩乳。这使得成熟的mRNA链仅由外显子组成，并且是编码最终蛋白质的这些核苷酸序列。

这有点像用颜色排序一袋小吃，并对齐。RNA拼接去除绿色，黄色和红臭嘴（内含子），只留下紫色和橙色的烟草（外显子）。这些紫色和橙色的睡眠形成了可以继续编码最终蛋白质的成熟RNA。

Johnson博士的研究侧重于该地区，观察细胞合成，剪接和过程RNA如何调节基因表达。通过她作为加利福尼亚大学的生命科学分部的分子，细胞和发育生物学教授的角色，她和她的团队最近研究了内含子对基因表达的贡献。

RNA剪接:一种引入
RNA剪接长期以来一直是约翰逊博士和她的团队特别感兴趣的领域。为了最近获得美国国家科学基金会(NSF)的资助，她不仅在研究内含子去除的影响，还在研究蛋白质合成中内含子保留的影响。

正如她向自己解释的那样：“大多数研究基因功能关注拼接后的RNA - 除了内含子并出口成熟mRNA之后。由于内含子通常在去除后劣化，因此对这些内含子可以具有的函数来支付很少的注意力。然而，在某些情况下，似乎内含子移除令人惊讶地效率低下，因此，内含子保留是一个值得更深刻的理解的现实。“

为此，约翰逊博士的研究已经发现了一个显着的例子，了解内含子保留程度。使用一个叫做单细胞酵母酿酒酵母酿酒酵母作为模型系统，她的作品已经确定了一种可以利用在基因表达中的几个重要观察的基因 - 所谓的GCR1.．该基因提供了一个细胞剪接调节重要性的有效例子:在酿酒酵母酿酒酵母那GCR1.拼接和未燃烧的RNA允许细胞适应某些细胞条件。

酵母遗传学
这GCR1.基因编码了一种蛋白质，这种蛋白质负责调节支持葡萄糖代谢的基因，而葡萄糖代谢是酵母最喜欢的能量来源。事实上，在活跃生长的酵母中，75%的基因都依赖于这种蛋白质GCR1.编码。细胞产生这种蛋白质的“决定”取决于细胞环境和葡萄糖的可获得性。约翰逊博士和她的团队现在发现，调控剪接和内含子保留对确保这一点至关重要GCR1.基因表达，最终葡萄糖代谢，无论细胞条件如何，都可以继续。

在葡萄糖水平不同的情况下，Gcr1蛋白(Gcr1p)的表达也不同，以支持细胞的代谢需求。为了调控这一过程，确保Gcr1p的表达能够适当地适应变化的环境，细胞依赖于调控的剪接GCR1.RNA。值得注意的是，剪接RNA和未换向的RNA产生GCR1p，内含子含有用于从未燃烧的RNA引发翻译所需的调节代码。拼接的水平与未过敏GCR1.依赖于细胞条件，但两者都对于确保有效的葡萄糖代谢至关重要。

现在，这是它有趣的地方。约翰逊和她的同事们发现蛋白质从未换来的蛋白质GCR1.rna相互结合形成“二聚体”-同源二聚体和异源二聚体。因此，不是只有一种Gcr1蛋白，而是至少有三种不同的Gcr1蛋白二聚体组合的功能形式(见图2)。

换句话说，一个基因导致蛋白质的三种功能形式，然后这些形式可以调节蛋白的表达GCR1.靶基因。从本质上讲，有没有内含子的RNA，有必要产生对细胞至关重要的蛋白质，以实现其关键代谢功能。因此，这突出了内含子保留的重要性。

内含子保留
约翰逊博士的工作为进一步的研究开辟了几条道路，并为探索内含子保留的影响创造了一个范例。其中一种途径可能包括调查假设的“质量控制”机制，以防止未剪接的RNA输出，这似乎在GCR1.的例子。

另一个大道可以研究蛋白质合成的翻译起始位点。在典型的情况下，蛋白质合成机械从末端开始扫描RNA链，直至其发现第一三重药密码子（一组三个核苷酸碱基）以启动翻译的开始。在里面GCR1.然而，这似乎不是系统，因为蛋白质合成机制似乎优先吸引到内含子，而不是最初的起始密码子。

Johnson博士博士和监督博士博士博士博士，博士博士博士博士博士博士博士博士。

约翰逊博士的研究从一种通常用于制作啤酒或面包的酵母系统中获得了创新的新发现

啤酒，面包和大脑
约翰逊博士的进一步研究还将着眼于将她从酵母中获得的发现应用于哺乳动物细胞——她相信这将会实现。事实上，最近的研究表明，内含子在哺乳动物大脑中的保留有潜在的好处，约翰逊博士引用这一点作为她自己工作的兴奋之源。她说:“最近一份关于哺乳动物神经元的报告提供了一个非常相似的例子，说明了保留的内含子如何对哺乳动物大脑中的RNA功能至关重要。”该报告强调，Nxf1蛋白RNA在海马和新皮质神经元中都含有一个保留的内含子，RNA产生的蛋白质也形成重要的二聚体(Li Y .)et al。Mol Biol Cell 2016）。该机制证明在调节细胞功能方面至关重要。

Johnson博士的研究已经建立了通常用于制造啤酒或面包的酵母系统的创新性新发现。她的研究挑战了现有的信仰，即内含子只是“遗传拒绝”，并证明了内含子的内容量比见到眼睛更多。