人类98%DNA是“垃圾” 但它们具有至关重要的作用

摘要:

北京时间8月26日消息,据国外媒体报道,你会购买一本98%以上文字都是胡言乱语的书籍吗?生物学与图书行业没有太多关系,但却编写了一本非常吸引人的指导手册——DNA!

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资料图

我们的基因手册包含了构成身体、并为其提供能量的蛋白质指令,但人体只有不足2%的DNA能编码蛋白质,剩余98%的DNA序列被称为“垃圾DNA”,科学家们长期以来一直认为它们无用,这些非蛋白质编码的DNA延伸看起来就像一本书稿中的胡言乱语——毫无用处,也许被人们遗忘。但是近期最新研究表明,我们基因组的“垃圾”部分可能仍然发挥着重要作用。

没有意义的“单词”

自然生物拥有一种独特的“书写方式”,我们的基因脚本仅使用4个字母:A, G, C和T,这些字母的长组合构成了我们的基因,并决定了蛋白质结构,但是蛋白质制造过程并不像阅读烹饪食谱那样简单,在将蛋白质组合在一起之前,DNA被转录成RNA,并被切割和重新组装成更小的片段。

在切割过程中,非编码“垃圾DNA”被废弃,意味着它们永远不会参与制造蛋白质,为什么自然生物的“指导手册”携带这么多看似不必要的物质,这是研究人员仍在思考的一个问题,最合乎逻辑的解释是,“垃圾DNA”或许并非一无是处。

无用DNA的功能

本世纪初,“人类基因组计划”让人们首次全面了解了人类基因脚本,但该计划完成近10年后,一个由400多名科学家组成的团队发布了他们所谓的“DNA元素百科全书(ENCODE)”。

该项国际合作探索了基因组中每个基因的功能,这项大规模研究的结果要求对垃圾DNA进行重新评估,虽然只有不足2%的基因组能制造蛋白质,但是大约80%的基因组能执行某种功能。

DNA元素百科全书对功能的定义相当宽广,任何“生物化学活性”都是公平的游戏——能被转录成RNA,即使稍后的过程中RNA被切断,也能被鉴定为具有功能的序列,但是许多“垃圾DNA”确实具有重要作用,包括调控DNA如何转录,并从那里转变成蛋白质,如果蛋白质编码是交响乐音符,那么一些非编码序列就像音乐指挥家一样,影响着乐曲的节奏。

但并非所有垃圾DNA都具有功能,2008年发表在《细胞分子生物学杂志》的一项研究表明,科学家清除了酵母基因组中的垃圾DNA,对于特定基因,他们去除了基因内含子——DNA转录后被切断的部分,在实验室条件下,基因内含子的去除对细胞没有显著影响,支持了它们没有任何功能的观点。

然而,今年发表在《自然》杂志上的研究报告提出了相反观点,当食物缺乏时,研究人员发现这些序列对酵母的存活至关重要,这些研究认为,基因内含子的有用性可能取决于其所处的环境,这与所谓的“垃圾”相差甚远。

有用的垃圾

过去10年里,其他研究进展表明,垃圾DNA可能仅是被误解的遗传物质,科学家现在已将各种非编码序列与各种生物过程(甚至人类疾病)联系起来,例如:研究人员认为,这些序列是子宫和对生拇指发育的重要因素。

2018年,发表在《肿瘤学年鉴》上的一项研究表明,非编码DNA片段就像基因表达的音量旋钮,最终影响乳腺癌和前列腺癌的形成;2019年发表在《自然遗传学杂志》的一项研究表明,基因编码区域以外的突变可以导致自闭症。

探索非编码序列是当前研究热点之一,越来越多的证据表明,这些非编码序列可能有助于癌症战胜治疗,目前专家这将是癌症诊断最有希望的反向工具。

尽管“垃圾DNA”有很多功能,但是一些研究人员仍然认为,大部分遗传编码是无用的,美国休斯顿大学进化生物学家丹·格罗尔(Dan Graur)认为,至少有75%的蛋白质没有功能。

为了获得该数据,格罗尔使用数字模型来确定DNA有用程度,他考虑了有害基因突变(有害的基因变化或者双螺旋结构断裂),随着时间的推移,以及生育率不断提高,我们也获得了更多的基因组,因此这些突变可能是致命的,格罗尔在2017年发表在《基因组生物学与进化》的一篇论文中评估称,我们的基因密码中最多不超过四分之一具有功能性,如果超过四分之一,我们将以不可持续的速度积累致命突变。

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