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垃圾DNA之谜

2012-10-11 15:24 作者:袁越来源:三联生活周刊 2012年第38期
新的发现表明,人类基因组中的垃圾DNA其实并不垃圾。

今年9月5日出版的《自然》(Nature)杂志一口气刊登了30多篇关于同一个问题的研究论文,其官方网站上更是破天荒地将这30多篇论文做成一个互动式应用程序,供读者免费阅读。全世界各大媒体也都在第一时间报道了这件事,称其标志着人类基因组研究进入了一个全新的阶段,医药健康领域将迎来一场大革命。

这是怎么回事呢?

故事要从2000年讲起。那一年人类基因组草图首次公布,全世界都为之疯狂,似乎人类的秘密就要被揭开了。当时科学家们的思路是这样的:如果把人体看做一幢房子,那么蛋白质就是砖瓦,而基因就是这些砖瓦的设计图纸,如果我们看懂了图纸,一切问题就都迎刃而解了。

但是,当科学家们仔细研究了那张基因组草图后,却发现只有不到2%是负责编码蛋白质的基因,总数加起来仅有2.1万个左右,比很多动植物都要少。这个发现让科学家们大吃一惊,难道我们人类作为堂堂的地球主宰者,基因总数居然还不如一棵草?人类的复杂性该如何解释呢?

除了这2%以外,剩下的98%不编码任何蛋白质,一时看不出它们究竟有何用处,于是有人将其称为“垃圾DNA”。这个发现引发了一场关于生命本质的哲学讨论,因为过去人们一直相信生命都是高效率的生存机器,每一个性状都是有理由的,不会有半点浪费。著名的博物学家史蒂芬·杰·古尔德(Stephen Jay Gould)就认为很多生物性状只不过是进化的副产品,是侥幸搭上顺风车的垃圾。

如果说上述问题只有科学家或者哲学家才会感兴趣的话,那么接下来的事情就跟我们普通老百姓很有关系了。人类基因组计划的最终目的是治疗遗传性疾病,以前人们相信遗传病都是因为基因突变导致相应的蛋白质结构发生变异造成的,如果我们找到了每一种遗传病对应的基因,就能从根儿上治好这个病。如今,距离人类基因组草图绘制完成已经过去了12年,只有少数疾病找到了对应的基因,这其中大部分还都是非常罕见的遗传病。绝大多数和遗传有关的常见病,比如癌症和心血管疾病,都没能找到与其对应的基因,即使找到一些与其有关的DNA片段,其位置也通常在垃圾DNA内。于是,科学家们猜测垃圾DNA也许并不垃圾,而是包含着很多专门调控基因功能的片段。换句话说,人类基因组并不是基因和搭车者(垃圾DNA)的简单叠加,而是由基因和各种调控元件组成的复杂的网络系统。

为了彻底搞清这个网络系统的秘密,来自全世界的基因学家们于2003年共同发起了一个“DNA元件百科全书”计划(Encyclopedia of DNA Elements,简称ENCODE),目标就是把所有的调控元件搞清楚。今年发表在《自然》杂志上的这30多篇论文就是这个庞大计划交出的第一份完整的答卷。来自世界各地的研究人员一共进行了1600多个独立试验,分析了140种不同的人体细胞类型,从中发现了400万个基因开关和功能调节因子,占人类基因组总长度的18%~19%。这些调控位点可以和DNA转录酶结合,共同决定某个基因何时被打开,以及活性的高低。

除此之外,人类细胞中还活跃着很多小分子RNA,它们可以和DNA或者各种酶分子相结合,用这个方式参与基因功能的调控过程。这些小分子RNA也都是由人类基因组负责编码的,它们的位置也位于垃圾DNA片段内。

两者相加的结果令人震惊,人类基因组中有大约80%的片段都参与了DNA功能的调节,它们不能再被称为垃圾DNA了。那么,剩下的20%是否就真的是垃圾DNA呢?也未必。科学家相信,如果将研究范围进一步扩大到所有细胞类型,也许就会发现剩下的20%也或多或少地参与了基因功能的调控。

这个发现彻底修正了过去人们的偏见,人类这幢房子的设计图纸上不光画出了每一种砖瓦的结构图,还画出了每一种砖瓦的位置和安装手册,这个信息对于“建筑工人”和“修房子”的人来说同等重要。从医药的角度讲,这个发现一下子把负责基因调控的功能元件扩展到了整个基因组,极大地增加了新药研发的工作量。但是,也许这就是治疗遗传性疾病的必经之路,以前科学家们忽略了调控因子的作用,把注意力都集中到基因本身上去了,事实证明此路不通。

再回到那个哲学命题。这个发现是否意味着垃圾DNA不存在了呢?有人做过一个实验,把小鼠基因组中的一部分垃圾DNA去掉,结果小鼠照样活蹦乱跳。这个实验似乎说明至少有一部分垃圾DNA确实没用,不过也有人反驳说,实验室条件下小鼠确实不需要那么多DNA就能活得很好,但这些“多余”的DNA其实是为特殊情况准备的,是小鼠的急救包。

也许,这就是生物多样性的意义所在。

 

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