人類DNA 98%都是“垃圾” 但卻至關(guān)重要

你會(huì)購(gòu)買(mǎi)一本98%以上文字都是胡言亂語(yǔ)的書(shū)籍嗎？生物學(xué)與圖書(shū)行業(yè)沒(méi)有太多關(guān)系，但卻編寫(xiě)了一本非常吸引人的指導(dǎo)手冊(cè)—;—;DNA！

我們的基因手冊(cè)包含了構(gòu)成身體、并為其提供能量的蛋白質(zhì)指令，但人體只有不足2%的DNA能編碼蛋白質(zhì)，剩余98%的DNA序列被稱為“垃圾DNA”。

科學(xué)家們長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為它們無(wú)用，這些非蛋白質(zhì)編碼的DNA延伸看起來(lái)就像一本書(shū)稿中的胡言亂語(yǔ)—;—;毫無(wú)用處，也許被人們遺忘。

但是近期最新研究表明，我們基因組的“垃圾”部分可能仍然發(fā)揮著重要作用。

沒(méi)有意義的“單詞”

自然生物擁有一種獨(dú)特的“書(shū)寫(xiě)方式”，我們的基因腳本僅使用4個(gè)字母：A， G， C和T，這些字母的長(zhǎng)組合構(gòu)成了我們的基因，并決定了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。

但是蛋白質(zhì)制造過(guò)程并不像閱讀烹飪食譜那樣簡(jiǎn)單，在將蛋白質(zhì)組合在一起之前，DNA被轉(zhuǎn)錄成RNA，并被切割和重新組裝成更小的片段。

在切割過(guò)程中，非編碼“垃圾DNA”被廢棄，意味著它們永遠(yuǎn)不會(huì)參與制造蛋白質(zhì)。

為什么自然生物的“指導(dǎo)手冊(cè)”攜帶這么多看似不必要的物質(zhì)？這是研究人員仍在思考的一個(gè)問(wèn)題，最合乎邏輯的解釋是，“垃圾DNA”或許并非一無(wú)是處。

無(wú)用DNA的功能

本世紀(jì)初，“人類基因組計(jì)劃”讓人們首次全面了解了人類基因腳本，但該計(jì)劃完成近10年后，一個(gè)由400多名科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)發(fā)布了他們所謂的“DNA元素百科全書(shū)（ENCODE）”。

該項(xiàng)國(guó)際合作探索了基因組中每個(gè)基因的功能，這項(xiàng)大規(guī)模研究的結(jié)果要求對(duì)垃圾DNA進(jìn)行重新評(píng)估，雖然只有不足2%的基因組能制造蛋白質(zhì)，但是大約80%的基因組能執(zhí)行某種功能。

DNA元素百科全書(shū)對(duì)功能的定義相當(dāng)寬廣，任何“生物化學(xué)活性”都是公平的游戲—;—;能被轉(zhuǎn)錄成RNA，即使稍后的過(guò)程中RNA被切斷，也能被鑒定為具有功能的序列。

但是許多“垃圾DNA”確實(shí)具有重要作用，包括調(diào)控DNA如何轉(zhuǎn)錄，并從那里轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)。

如果蛋白質(zhì)編碼是交響樂(lè)音符，那么一些非編碼序列就像音樂(lè)指揮家一樣，影響著樂(lè)曲的節(jié)奏。

但并非所有垃圾DNA都具有功能，2008年發(fā)表在《細(xì)胞分子生物學(xué)雜志》的一項(xiàng)研究表明，科學(xué)家清除了酵母基因組中的垃圾DNA，對(duì)于特定基因，他們?nèi)コ嘶騼?nèi)含子—;—;DNA轉(zhuǎn)錄后被切斷的部分。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，基因內(nèi)含子的去除對(duì)細(xì)胞沒(méi)有顯著影響，支持了它們沒(méi)有任何功能的觀點(diǎn)。

然而，今年發(fā)表在《自然》雜志上的研究報(bào)告提出了相反觀點(diǎn)，當(dāng)食物缺乏時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)這些序列對(duì)酵母的存活至關(guān)重要，這些研究認(rèn)為，基因內(nèi)含子的有用性可能取決于其所處的環(huán)境，這與所謂的“垃圾”相差甚遠(yuǎn)。

有用的垃圾

過(guò)去10年里，其他研究進(jìn)展表明，垃圾DNA可能僅是被誤解的遺傳物質(zhì)，科學(xué)家現(xiàn)在已將各種非編碼序列與各種生物過(guò)程（甚至人類疾病）聯(lián)系起來(lái)。

例如：研究人員認(rèn)為，這些序列是子宮和對(duì)生拇指發(fā)育的重要因素。

2018年，發(fā)表在《腫瘤學(xué)年鑒》上的一項(xiàng)研究表明，非編碼DNA片段就像基因表達(dá)的音量旋鈕，最終影響乳腺癌和前列腺癌的形成。

2019年發(fā)表在《自然遺傳學(xué)雜志》的一項(xiàng)研究表明，基因編碼區(qū)域以外的突變可以導(dǎo)致自閉癥。

探索非編碼序列是當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一，越來(lái)越多的證據(jù)表明，這些非編碼序列可能有助于癌癥戰(zhàn)勝治療，目前專家這將是癌癥診斷最有希望的反向工具。

盡管“垃圾DNA”有很多功能，但是一些研究人員仍然認(rèn)為，大部分遺傳編碼是無(wú)用的，美國(guó)休斯頓大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家丹·格羅爾（Dan Graur）認(rèn)為，至少有75%的蛋白質(zhì)沒(méi)有功能。

為了獲得該數(shù)據(jù)，格羅爾使用數(shù)字模型來(lái)確定DNA有用程度，他考慮了有害基因突變（有害的基因變化或者雙螺旋結(jié)構(gòu)斷裂），隨著時(shí)間的推移，以及生育率不斷提高，我們也獲得了更多的基因組，因此這些突變可能是致命的。

格羅爾在2017年發(fā)表在《基因組生物學(xué)與進(jìn)化》的一篇論文中評(píng)估稱，我們的基因密碼中最多不超過(guò)四分之一具有功能性，如果超過(guò)四分之一，我們將以不可持續(xù)的速度積累致命突變。