“垃圾DNA”真的無用嗎

⊙吳純新

提到垃圾，我們的第一反應(yīng)通常是無用的東西。而在我們的體內(nèi)，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(nèi)無用的東西嗎？

“垃圾DNA”認(rèn)知與“技”俱進(jìn)

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

武漢科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院教授顧潮江介紹，根據(jù)早期定義，人類基因中負(fù)責(zé)編碼蛋白的基因數(shù)目?jī)H4萬個(gè)，只占基因組的2%，其他98%均被列為“垃圾DNA”。

伴隨科研進(jìn)步，“垃圾DNA”的定義也在變化。現(xiàn)在其泛指基因組序列中沒有編碼功能，既不生成RNA也不產(chǎn)生蛋白質(zhì)的片段。它們?cè)谌祟惢蚪M中以重復(fù)序列形式廣泛存在，結(jié)構(gòu)上分為散在重復(fù)序列、串聯(lián)重復(fù)序列和片段重復(fù)序列，根據(jù)重復(fù)次數(shù)又可以分為中度重復(fù)序列和高度重復(fù)序列。

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

2003年，ENCODE（The Encyclopedia of DNA Elements）計(jì)劃啟動(dòng)，全球400多名科學(xué)家參與其中。該計(jì)劃的目標(biāo)是在描繪人類基因組圖譜基礎(chǔ)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(jié)果顯示，人類基因組中80%的區(qū)域具有一定生化功能。

但美國(guó)休斯頓大學(xué)生物和生化教授丹·格拉烏爾在《基因組生物學(xué)與進(jìn)化》雜志發(fā)表論文稱，利用全新模型對(duì)人類基因組中功能性基因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)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(rèn)為，這個(gè)研究“推翻”了ENCODE的結(jié)論，將引導(dǎo)科研人員重新聚焦人類基因組研究。

關(guān)于“垃圾DNA”的認(rèn)知與“技”俱進(jìn)，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(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)。轉(zhuǎn)座元件便屬于此類，具體來說，它們是可在基因組中移動(dòng)的DNA片段，看上去是病毒或細(xì)菌等病原體遺留的產(chǎn)物，經(jīng)過數(shù)百萬年進(jìn)化，融入人類基因組。

而2017年發(fā)表在《科學(xué)》的一篇文獻(xiàn)認(rèn)為，“垃圾DNA”來源于染色體的不對(duì)稱分配。該研究顯示，兩條姐妹染色體的著絲粒在雌性減數(shù)分裂過程中相互競(jìng)爭(zhēng)以獲得遺傳，而著絲粒重復(fù)序列是人類基因組中最豐富的非編碼DNA，且具有更多重復(fù)拷貝和更多動(dòng)粒蛋白的“強(qiáng)”著絲粒會(huì)被優(yōu)先遺傳給后代。

功能已現(xiàn)冰山一角

目前，已經(jīng)有大量科學(xué)家對(duì)“垃圾DNA”進(jìn)行了研究，而這些研究結(jié)果不斷地表明，“垃圾DNA”絕不是我們體內(nèi)“無用”的角色，相反，其可能在多方面發(fā)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(guān)。“垃圾DNA”中有大量重復(fù)DNA序列，能形成特殊的DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)，并以此調(diào)節(jié)附近基因的活性。

有美國(guó)科學(xué)家分析了11個(gè)人類組織中330個(gè)源于Alu（高度重復(fù)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(zhǎng)類特異性的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，通過它制造外顯子可能有助于形成靈長(zhǎng)類的獨(dú)特屬性。

“垃圾DNA”可通過合成調(diào)節(jié)性RNA發(fā)揮功能。它們能被轉(zhuǎn)錄為小分子RNA，控制蛋白質(zhì)表達(dá)，還能激活或抑制基因的表達(dá)，協(xié)助非常復(fù)雜的細(xì)胞分裂、分化等。顧潮江介紹，若將這種方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，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(guó)北卡羅來納大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)：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(guó)和英國(guó)的科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)，在化療之后，骨髓中造血干細(xì)胞會(huì)利用“垃圾DNA”轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA分子增強(qiáng)活化，產(chǎn)生新鮮細(xì)胞，促進(jìn)血液再生。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，隨著個(gè)人基因組測(cè)序人數(shù)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(qū)突變時(shí)，在“垃圾DNA”區(qū)域中找到了近百個(gè)乳腺癌與前列腺癌的潛在“導(dǎo)火索”，這預(yù)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(nèi)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(zhǎng)速度。

而與上述觀點(diǎn)不同，有英國(guó)巴斯大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，位于基因間的“垃圾DNA”可以轉(zhuǎn)錄形成非編碼RNA，而這一過程可以阻斷細(xì)胞癌化。

此外，美國(guó)科研人員開發(fā)了一種新的生物信息學(xué)方法，用于從測(cè)序數(shù)據(jù)中識(shí)別和確定從頭串聯(lián)重復(fù)序列突變（簡(jiǎn)稱新生TR突變），并對(duì)患有ASD（孤獨(dú)癥譜系障礙）的先證者和未患病手足中的新生TR突變進(jìn)行全基因組特征分析。發(fā)現(xiàn)在ASD先證者中全基因組范圍內(nèi)均存在大量新生TR突變，在胎兒大腦調(diào)節(jié)區(qū)域更為富集，且預(yù)計(jì)在進(jìn)化上更具危害性。

“垃圾DNA”還可能影響神經(jīng)系統(tǒng)。有研究發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是“垃圾DNA”的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)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(guān)的基因的表達(dá)情況。因此，研究人員推測(cè)其可能是引發(fā)精神分裂癥的主要原因。同時(shí)，將這部分“垃圾DNA”置于引發(fā)精神分裂癥的遺傳因子下研究，研究人員發(fā)現(xiàn)在精神分裂癥患者中，LINE-1可以插入到與突觸功能相關(guān)的基因中，使其正常功能被破壞，故而可以認(rèn)為，該“垃圾DNA”或是引發(fā)精神分裂癥的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

顧潮江介紹，國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)育分子機(jī)制研究中，發(fā)現(xiàn)在發(fā)育期間，來自“垃圾DNA”轉(zhuǎn)錄的微RNA在這種細(xì)胞與胚層分配過程中發(fā)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(cè)序技術(shù)和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，揭示特定的白細(xì)胞如何使用非編碼的DNA來調(diào)節(jié)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(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像開關(guān)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(qiáng)子的序列片段密不可分。

撥云見霧，更多謎團(tuán)待解

顧潮江說，隨著后基因組時(shí)代到來，測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步讓對(duì)“垃圾DNA”的解讀從中獲益。第二、三代測(cè)序技術(shù)極大地提高了測(cè)序通量，可以一次性完成從數(shù)十萬到數(shù)百萬的DNA分子測(cè)序，使得對(duì)一個(gè)物種的基因組和轉(zhuǎn)錄組深度測(cè)序變得方便易行，為“垃圾DNA”解讀提供了技術(shù)支撐。

伴隨越來越多有功能的“垃圾DNA”被認(rèn)識(shí)和鑒定，實(shí)際意義上的“垃圾DNA”將會(huì)越來越少。

顧潮江認(rèn)為，今后我們或應(yīng)繼續(xù)深度分析“垃圾DNA”在以下10個(gè)方向中的功能，即DNA復(fù)制的調(diào)控，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，為遺傳物質(zhì)的程序性重排標(biāo)記位點(diǎn)，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(diào)制翻譯，調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育期，DNA修復(fù)和幫助對(duì)抗疾病。

一篇發(fā)表在《基因組生物學(xué)與進(jìn)化》上的論文稱，“垃圾DNA”的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。與此同時(shí)，隨著生命科學(xué)不斷發(fā)展，人們也逐漸意識(shí)到“垃圾DNA”不是垃圾。