“垃圾DNA”真的無用嗎

⊙吳純新

提到垃圾，我們的第一反應通常是無用的東西。而在我們的體內，有一些DNA，也被稱為“垃圾”。那么，這些被稱為“垃圾DNA”的，真的是我們體內無用的東西嗎？

“垃圾DNA”認知與“技”俱進

“垃圾DNA”一名從英文“Junk DNA”直譯而來，最初由日本遺傳學家大野乾提出，用來描述基因組中不能編碼蛋白質的DNA序列。

武漢科技大學生物醫學研究院教授顧潮江介紹，根據早期定義，人類基因中負責編碼蛋白的基因數目僅4萬個，只占基因組的2%，其他98%均被列為“垃圾DNA”。

伴隨科研進步，“垃圾DNA”的定義也在變化。現在其泛指基因組序列中沒有編碼功能，既不生成RNA也不產生蛋白質的片段。它們在人類基因組中以重復序列形式廣泛存在，結構上分為散在重復序列、串聯重復序列和片段重復序列，根據重復次數又可以分為中度重復序列和高度重復序列。

不僅“垃圾DNA”的定義在變，我們體內究竟有多少“垃圾DNA”，科學家們也莫衷一是。

2003年，ENCODE（The Encyclopedia of DNA Elements）計劃啟動，全球400多名科學家參與其中。該計劃的目標是在描繪人類基因組圖譜基礎上，研究各基因的功能信息，建立生物功能性基因目錄。研究結果顯示，人類基因組中80%的區域具有一定生化功能。

但美國休斯頓大學生物和生化教授丹·格拉烏爾在《基因組生物學與進化》雜志發表論文稱，利用全新模型對人類基因組中功能性基因進行統計，發現功能性基因占比最多只有25%，其他基因都是所謂的“垃圾DNA”。

顧潮江認為，這個研究“推翻”了ENCODE的結論，將引導科研人員重新聚焦人類基因組研究。

關于“垃圾DNA”的認知與“技”俱進，那么其到底從何而來？

已有研究表明，部分“垃圾DNA”起源于病毒，并能調節人體免疫系統。轉座元件便屬于此類，具體來說，它們是可在基因組中移動的DNA片段，看上去是病毒或細菌等病原體遺留的產物，經過數百萬年進化，融入人類基因組。

而2017年發表在《科學》的一篇文獻認為，“垃圾DNA”來源于染色體的不對稱分配。該研究顯示，兩條姐妹染色體的著絲粒在雌性減數分裂過程中相互競爭以獲得遺傳，而著絲粒重復序列是人類基因組中最豐富的非編碼DNA，且具有更多重復拷貝和更多動粒蛋白的“強”著絲粒會被優先遺傳給后代。

功能已現冰山一角

目前，已經有大量科學家對“垃圾DNA”進行了研究，而這些研究結果不斷地表明，“垃圾DNA”絕不是我們體內“無用”的角色，相反，其可能在多方面發揮著重要作用。

顧潮江介紹，一些“垃圾DNA”可被視為基因的分子開關。“垃圾DNA”中有大量重復DNA序列，能形成特殊的DNA高級結構，并以此調節附近基因的活性。

有美國科學家分析了11個人類組織中330個源于Alu（高度重復序列）基因組的外顯子，鑒別出許多令人感興趣的外顯子。Alu是靈長類特異性的反轉錄轉座子，通過它制造外顯子可能有助于形成靈長類的獨特屬性。

“垃圾DNA”可通過合成調節性RNA發揮功能。它們能被轉錄為小分子RNA，控制蛋白質表達，還能激活或抑制基因的表達，協助非常復雜的細胞分裂、分化等。顧潮江介紹，若將這種方法應用于醫學，可使癌癥基因沉默，意義重大。

還有研究表明，“垃圾DNA”有可能改變基因組裝方式。此前，來自美國北卡羅來納大學的研究人員發現：一些“垃圾DNA”中的小片段遺傳序列告訴基因如何剪接，或可提高、抑制剪接過程，從而改變基因組裝方式。

德國和英國的科學家合作發現，在化療之后，骨髓中造血干細胞會利用“垃圾DNA”轉錄產生RNA分子增強活化，產生新鮮細胞，促進血液再生。

研究人員還發現，隨著個人基因組測序人數迅速增加，近來在解讀他們基因組中的突變，尤其是非編碼區突變時，在“垃圾DNA”區域中找到了近百個乳腺癌與前列腺癌的潛在“導火索”，這預示“垃圾DNA”可能是潛在癌癥病源。還有研究已在霍奇金淋巴瘤內證明了“垃圾DNA”在何種情況下能夠保持活性，從而加快腫瘤生長速度。

而與上述觀點不同，有英國巴斯大學和劍橋大學的研究人員發現，位于基因間的“垃圾DNA”可以轉錄形成非編碼RNA，而這一過程可以阻斷細胞癌化。

此外，美國科研人員開發了一種新的生物信息學方法，用于從測序數據中識別和確定從頭串聯重復序列突變（簡稱新生TR突變），并對患有ASD（孤獨癥譜系障礙）的先證者和未患病手足中的新生TR突變進行全基因組特征分析。發現在ASD先證者中全基因組范圍內均存在大量新生TR突變，在胎兒大腦調節區域更為富集，且預計在進化上更具危害性。

“垃圾DNA”還可能影響神經系統。有研究發現，被認為是“垃圾DNA”的反轉錄轉座子LINE-1在精神分裂癥患者的大腦中水平很高，且可以修飾與精神分裂癥相關的基因的表達情況。因此，研究人員推測其可能是引發精神分裂癥的主要原因。同時，將這部分“垃圾DNA”置于引發精神分裂癥的遺傳因子下研究，研究人員發現在精神分裂癥患者中，LINE-1可以插入到與突觸功能相關的基因中，使其正常功能被破壞，故而可以認為，該“垃圾DNA”或是引發精神分裂癥的罪魁禍首。

顧潮江介紹，國外研究團隊在發育分子機制研究中，發現在發育期間，來自“垃圾DNA”轉錄的微RNA在這種細胞與胚層分配過程中發揮著重要作用。悉尼雪梨百年研究所的研究人員通過新一代基因測序技術和復雜的計算機分析技術，揭示特定的白細胞如何使用非編碼的DNA來調節一系列控制形狀和功能的基因的活性。

“垃圾DNA”甚至可能影響我們的外貌。有美國研究人員發現，“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像開關或放大器一樣影響臉部基因。眼睛或大或小、鼻子是否挺拔、頭顱形狀等，可能都與這些被稱為增強子的序列片段密不可分。

撥云見霧，更多謎團待解

顧潮江說，隨著后基因組時代到來，測序技術的進步讓對“垃圾DNA”的解讀從中獲益。第二、三代測序技術極大地提高了測序通量，可以一次性完成從數十萬到數百萬的DNA分子測序，使得對一個物種的基因組和轉錄組深度測序變得方便易行，為“垃圾DNA”解讀提供了技術支撐。

伴隨越來越多有功能的“垃圾DNA”被認識和鑒定，實際意義上的“垃圾DNA”將會越來越少。

顧潮江認為，今后我們或應繼續深度分析“垃圾DNA”在以下10個方向中的功能，即DNA復制的調控，轉錄調節，為遺傳物質的程序性重排標記位點，影響染色體的正常折疊和維持，控制染色體與核膜的相互作用，控制RNA加工、編輯和剪接，調制翻譯，調節胚胎發育期，DNA修復和幫助對抗疾病。

一篇發表在《基因組生物學與進化》上的論文稱，“垃圾DNA”的時代已經結束。與此同時，隨著生命科學不斷發展，人們也逐漸意識到“垃圾DNA”不是垃圾。