(中文)哺乳动物基因组转录诱导融合基因的研究进展

生物化学与生物物理进展ProgressinBiochemistryandBiophysics投稿函尊敬的编辑同志：《真核生物基因组转录诱导融合基因的研究进展》是根据我们对哺乳动物基因组中转录诱导融合基因进行大规模生物信息分析和实验验证结果及近几年来国外知名期刊所发表的关于该方面的研究进行总结而成。转录诱导融合基因是一个比较新的研究领域。传统的观点认为基因在染色体上是独立的转录单元，在转录过程中不会产生融合基因。然而转录诱导融合基因的发现可能会提示我们在基因组中除了“一个基因，一个转录单元”的现象，还存在着“多个基因，一个转录单元”的情况。转录诱导融合基因通过基因间剪接把上游基因和下游基因UTR部分的终止密码子和起始密码子切除，成为成熟的转录本；这种拼接方式可能与单个基因内部的剪接机制有本质性的区别，需要进一步进行深入的研究。目前关于转录诱导融合基因的研究还处于比较原始的阶段，主要单个融合基因进行现象描述，而对于其组织和发育阶段特异性分布、产生机理等还不清楚。我们通过生物信息和实验相结合的方法，在哺乳动物中鉴定出了大量的转录诱导融合基因，这对于研究起进化、组织和发育阶段特异性分布及产生机理等提供了非常有利的条件。为了让国内外的科研工作者了解和关注转录诱导融合基因，我们对以往的文献报道及我们的部分数据进行了整理，撰写了《真核生物基因组转录诱导融合基因的研究进展》一文。生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.-2-真核生物基因组转录诱导融合基因的研究进展*吕聪颖1）赵刚彬1）吕贯廷2）**（1）南阳理工学院计算机科学与技术系，南阳473004(2）中国科学院北京基因组研究所，北京101300;摘要真核生物的基因组由基因和基因间区组成.基因转录时，从转录起始点开始到该基因的转录终止点结束，形成独立的转录单元.然而有少量的文献表明，转录有时会通读基因间区，产生包含上游基因、基因间区和下游基因的融合基因转录本.融合转录本经过基因间剪接而成为有功的成熟转录本.本文对真核生物转录诱导融合基因的基因间剪接方式、产生机制和意义进行了综述.关键词基因，转录，融合基因学科分类号Q7*国家自然科学基金重点项目（60433020）和教育部重点项目（02090）资助项目（注明资助项目类别、名称和批准号）**通讯联系人：吕聪颖Tel：0377－62076312E-mail：[e-mail]收稿日期：2007-4-9生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.-3-Progressofthetranscription-inducedfusiongeneineukaryoticgenomes*LvCY1),ZhaoGB1,LvGT12)(1)CollegeofComputerScienceandTechnology,NanyangInstituteofTechnology,473004;(2)(BeijingInstituteofGenomics,ChineseAcademyofScience,Beijing,101300AbstractEukaryoticgenomesarecomposedofindividualgenesandtheintergenicregions.Thetranscriptionofagenealwaysbeginsfromthetranscriptionstartsiteandendsattheterminationsite;thegeneisreferredasanindividualtranscriptionunit.However,somesporadicstudiesindicatethattranscriptioncansometimesread-throughtheintergenicregionandgeneratesalargefusiontranscriptwhichcontainstheupstreamgene,intergenicregionandthedownstreamadjacentgene.Thefusiontranscriptbecomesamaturefunctionaltranscriptafterintergenicsplicing.Thearticlesummarizespatternsofintergenicsplicing,possiblegenerationmechanismanditssignificance.Keywordsgene，transcription,fusiongene*ThisworkwassupportedbyagrantfromtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.60433020),theKeyProjectofChineseMinistryofEducation(GrantNo.02090).**Correspondingauthor.Tel:[phone],E-mail:[e-mail]:2007-4-9Accepted:生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.-4-在真核生物基因组中，基因（特指蛋白编码基因）被不编码的基因间区（intergenicregion）所隔开，形成独立的转录单元[1,2].基因在转录时，从特定的起始位点（transcriptionstartsite,TSS）开始，把编码区转录出来后，在该基因的终止位点（terminationsite）结束[2,3].然而，近年来有零星的报道表明[4-8]，在转录过程中，RNA聚合酶II（PolII）有时会通读（readthrough）终止位点和基因间区，在下游基因的转录终止位点结束，产生一个含有上游基因、基因间区和下游基因的融合转录本.剪接体（spliceosome）对其进行剪接时，把基因间区及其附近的位于上下游基因的UTR（untranslatedregion）甚至部分外显子作为一个大的内含子从转录本中切除，从而形成有功能的融合转录本（图1），该转录本有时还含有来自于基因间区的新外显子.为了和单个基因的剪接有所区别，这种发生在相邻基因间的剪接被称为基因间剪接（intergenicsplicing）[4].我们称这种由于基因的转录而产生融合基因的现象为转录诱导的融合基因（transcription-inducedfusiongenes,TIFGs）.图1转录诱导的融合基因该图通过BLAT软件（=88694252）把SALF序列（NM_172311）与人类参照基因（RefSeq）进行比对而生成.其中SALF为人StonedB/TFIIA-α/β样因子，它由STON1（StonedB样因子，NM_006873）和ALF（TFIIA-α/β样因子，NM_006872）融合而成.其中每条序列上的方框为外显子，横线为内含子，箭头的指向为基因的转录方向.PolyA_DB和Poly(A)SVM是两种Poly(A)位点预测软件，通过其预测结果可以看出，STON1和ALF为两条独立的基因.通常认为，基因的转录过程受到多重层次的严格调控，当PolII到达转录终止位点时，就会在多种反式作用因子（trans-actingfactors）与顺式作用元件（cis-actingelements）的相互作用下，从模板链上解离下来，转录活动就此终止；因此在转录过程中产生融合基因的频率极小，且表达量非常低，在哺乳动物细胞中很少发生[4,9].但根据我们前期对大鼠公共数据库中表达序列的分析结果及ParraG[10]和AkivaP[11]等分别对人基因组中转录诱导融合基因的分析来看，一些融合基因的表达具有组织特异性，少数融合基因的表达量甚至高于看家基因，这提示着TIFG不但可能是有功能的，且其产生也是一个受调控的过程.目前发现，转录诱导融合基因在生物界可能是一个广泛存在的现象，已经在多个物种中发现，包括真菌[12]和酵母[13].在哺乳动物中，转录诱导的融合基因不仅存在于人和小鼠[14]中，在牛[7]的基因组中也有发现.而且根据我们的检测结果，在大鼠基因组中也存在数量可观的转录诱导融合基因.1转录诱导融合基因的基因间剪接方式大多数的转录诱导融合基因的基金间剪接发生在上游基因倒数第二个（n-1）外显子和下游基因第二个（+2）外显子之间.剪接体把上游基因最后一个外显子5`-剪接位点（splicingdonor，SD）和下游基因第一个外显子的3-剪接位点（splicingacceptor，SA）之间的区域（包括基因间区）作为一个大的内含子从融合转录本中切除。这种剪接方式通过除去上下游基因的3`-UTR和5`-UTR而去掉上游基因的翻译终止密码子和下游基因的翻译起始密码子，成为成熟的有功能的融合基因转录本[15].在发生基因间剪接的融合基因中，约有55%的SD位于最后一个外显子，约80%的SA位于第一个外显子.由于基因间区内存在有潜在的SD和SA，在有些情况下，剪接体把基因间区的某些片断作为外显子与融合基因的其他外显子拼接在一起。在生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.-5-对大鼠基因组转录诱导融合基因的分析中，我们发现含有新外显子的融合基因约占所发现融合基因的11%.2转录诱导融合基因的特性2.1转录诱导融合基因的表达是一个受到调控的过程且具有独特的表达模式.人肿瘤坏死因子TNF配体家族的两个成员，TNFSF12和TNFSF13所产生的TNFSF12-TNFSF13融合基因编码的蛋白主要在T细胞和单核细胞前体中发现，而在其他种类的细胞中较少出现；经研究证明，该融合蛋白是一种具有生物活性的受体，主要促进细胞的增殖[6].人HLA1（HHLA-1）基因和otoconin90（OC-90）基因所产生的HHLA1-OC90融合基因只发现于畸胎瘤组织中，而不存在于正常细胞中[16].2.2转录诱导的融合基因还能改变来源基因所编码蛋白的特性或其细胞内定位.人泛素结合酶（ubiquitin-conjugatingenzyme，UEV）基因编码的蛋白位于哺乳动物细胞核内，具有DNA修复和促进c-FOS基因转录的功能；Kua基因编码的蛋白位于内质网膜，具有脂肪酸羟化酶活性.它们产生的融合基因Kua-UEV编码的蛋白经试验证明位于内质网膜，而细胞核内未发现他们的融合蛋白[8].2.3转录诱导的融合基因并不一定会产生融合蛋白.大多数的转录诱导融合基因在细胞内都可以产生有功能的蛋白质，比如Kua-UEV、TNFSF12-TNFSF13、CCL14-CCL15、MASK-BP3和NME1-NME2等等.然而真核细胞基因组产生的转录诱导融合基因有时会由于剪接的偏差或者新外显子的出现而导致其开放读码框中出现提前终止密码子(prematureterminationcodons，PTC)，从而使得该融合基因被无义介导的mRNA降解机制（nonsense-mediatedmRNAdecay，NMD）[17]降解，而无法翻译产生融合蛋白.有时，假基因（pseudogenes）也会与下游基因产生融合基因，由于大部分假基因缺乏必需的翻译调控元件或者终止密码子的提前出现[18]，从而导致融合基因无法产生融合蛋白.3转录诱导融合基因的可能产生机制3.1目前，大多数研究认为转录诱导融合基因是一个在转录过程中随机发生的事件.通过对可以产生融合基因的上下游基因的基因间区（上游基因最后一个外显子3`-端至下游基因第一个外显子5`-端）的距离进行分析，我们发现大多数的融合基因在基因组上距离较近，基因间区距离在20K以内的融合基因在人中为140个（总数为213个）；这提示着在基因组上距离越近的单独基因之间越有可能发生转录诱导的融合基因现象.