“垃圾DNA”真的应该 扔进垃圾桶吗?

2016-01-22作者:(韩) 姜锡基, 著编辑:翁小鲁

 

《自然》杂志2012年9月6日刊登了ENCODE项目的研究结果,第二天的《科学》杂志又刊 载了一篇报道称,应该禁止使用“垃圾DNA”(junk DNA)这种说法。可是,《美国科学院院 报》却在2013年4月2日刊登了一篇批判ENCODE结果的文章。就这样,科学界围绕“垃圾 DNA”展开的争论仍在继续。(图片源自姜锡基)

个体内存在很难从自然选择角度说明其存在合理性的DNA, 人们由此使用“垃圾”这一概念进行表述,并沿用至今。

——杜利特•福特

我又想起了中学时代的课堂,物理老师说“电流的方向和电子实际 运动的方向相反”令我倍感惊讶。将电子流动的方向规定为电流的方向 即可,何必非要定为反方向而让人混淆不清呢?这样做的理由是什么? 当然,直到后来我才知道其原因。继法国科学家安培将正电荷流动 的方向定义为电流方向后,又过了近一个世纪,人们才发现电子。可 是,电子指的是负电荷,判断电流方向时就有50%的几率会搞错。当 然,如果正电荷看成顺时针方向流动,或者说负电荷沿逆时针方向流 动,都不会对等式有什么影响。

像这样没有深厚的知识背景就擅自命名某种现象的话,势必会在 以后引发遗憾或者混乱。最近的生命科学界也有类似事情发生,“垃圾 DNA”就属于这种情况。

1972年在论文中首次出现

20世纪后半期,随着基因分析技术的确立,科学家们发现,很多 真核生物的基因中,真正的遗传基因所占比例并不多。比如,人类基因 比细菌基因约大1000倍,可是遗传基因并没有大1000倍,后来发现只大了10倍。

“垃圾DNA”这一术语是分子进化学领域的巨匠一大野乾在1972 年发表的论文中首次使用的,这位日本人1928年出生于韩国,后来移 民美国。大野乾当时创造该术语是为了表达哺乳动物基因中没有特别 功能的部分。然后,科学界著名人士莱斯利•奥杰尔和弗朗西斯•克里 克在1980年发表于《自然》杂志的评论论文中,以“垃圾DNA”为例 说明了 “基因中存在自私的DNA序列,就好像对宿主的生命毫无害处 的寄生虫”,该术语因此而成名。换言之,我们的基因中有很多像寄生 虫一样没用的“垃圾DNA”。

“垃圾DNA”的起源有很多种,其中最主流的是植物遗传学家芭 芭拉•麦克林托克20世纪40年代首次发现的转座因子(transposable element)。研究发现,40%以上的人类基因是转座因子,另外,基因中镶嵌的病毒序列-- 内源性逆转录病毒(endogenous retrovirus)也超过8%,而这些序列的表达大部分都被抑制了。

这一事实随着2000年人类基因组计划中基因草图的发表而得到确 认。基因中的遗传基因就像大海中漂浮的岛屿或者沙漠中的绿洲,在 不断反复的无意义的碱基序列中突然出现(它们大部分也处于名为内含 子(intron)的无意义的序列插人而形成的支离破碎的状态),令人欣喜。 当时的舆论称,除去1.5%的遗传基因(只计算包含遗传信息的外显子 (exon))外,剩下的98.5%的基因都是“垃圾DNA”。这种刺激性的表 达震撼了人们的神经,而现在已经成为人们熟悉的术语。

广泛涉及遗传基因的发现

可是2012年秋天,科学界掀起了针对“垃圾DNA”的轩然大波。 科学期刊《自然》9月6日大幅刊登了 ENCODE项目的研究结果,其 中最引人关注的就是“垃圾DNA”的再次发现。ENCODE是“DNA元 件百科全书”(Encyclopedia of DNA Elements)的简称,不仅分析遗传 基因,而且分析形成基因的全部DNA。

根据该研究,人们发现此前被认为毫无意义的碱基序列有相当一部 分起到调节遗传基因表达的作用,还会自动形成RNA链。对从组织中 取得的140余种类型的细胞进行分析后发现,非遗传基因区域的活动会 随着细胞的不同而不同,而且各区域有无活动会对细胞特性产生影响。

研究人员认为这一结果只不过是开始,以后如果有更多资料,将有 助于更明确地揭示基因中被视为“垃圾”的非遗传基因部分的存在原因。对于这一结果,学界的反应也很强烈。美国霍华德•休斯医学研究 所(Howard Hughes Medical Institute )的约瑟夫•艾克尔博士在当时投 稿给《自然》杂志的文章中写道:“80%的基因具有与生化学功能相关 的因子(elements),这一研究结果颠覆了既有的、广为接受的观点一 大部分人类基因是‘垃圾DNA’。”伊丽莎白•潘尼斯记者在9月7日 的《科学》杂志介绍了这一研究结果,报道的题目给我留下了很深的印 象——《ENCODE项目为“垃圾DNA”写下悼词》“ “ENCOCE Project Writes Eulogy For Junk DNA”)。《科学》杂志最终将ENCOCE项目的研 究成果评选为2012年十大科学新闻之一。

近几年有很多论文都介绍了“非编码(non-coding)DNA”的令人 无法想象的功能,看到这些论文,虽然我能从中深切感受到基因是超乎 想象的复杂对象,但是看到人们对ENCODE研究结果的反应,我又觉 得未免太小题大做了。当然,从过去视为“垃圾”的区域中发现其具有 功能,即不仅对细胞,甚至对人类生存都有帮助的部分,这是革命性的 发现。但即使如此,“基因中没有无用的东西”这种解释也很难让人接 受,当然也可能是因为我没能理解这些以众多数据为基础的论文吧。

我并不热衷生命科学界的革命,有时甚至带着片面的眼光看待,这 可能是源于我在2000年初期的研究生经历。如果完全一无所知,还有 可能全盘接受这种变化。但如果像我一样对此略知一二,就会固守既有 的知识,不能接受新理论。我当时正在进行分子遗传学研究,试图发现 拟南芥(Arabidopsis thaliana)这种植物的特定遗传基因的功能。拟南芥 很适合用作实验植物,因为其生长周期短(根据光照和温度条件不同, 生长周期为一两个月到三四个月),基因也很小(仅1.2亿个碱基对,所 以2000年作为首例植物基因被解读出来)。

当时我经常观察拟南芥基因DB (基因组数据库),有一天检测遗传 基因时,我突然想到:“如果研究的是人类遗传基因,画面可能会大不一样吧。”因为虽然拟南芥基因中的遗传基因是零星分布的,但人类基因 的遗传基因密度会更加稀疏。人类的32亿个碱基对中,遗传基因只有 不到2.1万个,少于拟南芥的2.7万个。

我阅读大量论文后才知道,水稻的基因大小为4亿个碱基对,小麦 的基因大小为170亿个碱基对,而其遗传基因的个数却只比拟南芥多一 点。换言之,非遗传基因的DNA比例随着物种的不同而有很大不同。 如果正如这次ENCODE的研究结果揭示的那样,这些DNA大部分都 起某种作用的话,即使排除双子叶植物拟南芥,那么同为单子叶植物的 禾本科的水稻和小麦中,基因的巨大差异又该如何解释呢?

两种植物间似乎并无多大差异,为什么小麦会需要那么多遗传基因DNA呢?当然,这一疑问是以“垃圾DNA”并非“垃圾”为前提提 出的。对此,虽然可以认为ENCODE的研究结果是对人类基因的研究, 而小麦的庞大的“垃圾DNA”的确是“垃圾”,但这种解释并不能让我 心服口服。

ENCODE项目的解释夸大其词?

《美国科学院院报》2013年4月2日刊登了一篇很有意思的文章。 这是加拿大达尔豪斯大学生化学与分子生物学系的杜利特•福特教授 投寄的评论,文章题目像新闻报道那样吸引眼球一《“垃圾DNA”是 无中生有吗?对 ENCODE 的批判》“ “ Is junk DNA bunk? A critique of ENCODE”)。我发现文章正好阐述的是过去半年时间内我苦苦思索的内 容,而且正是站在我的立场上叙述的!

文章称,很多生命科学家好像都认为ENCODE的主张有些夸大 其词。杜利特•福特教授认为,以动物为例进行说明时,认为只有人 类的“垃圾DNA”不是“垃圾”,这是一种“基因的人类中心主义” (genomic anthropocentrism)。比如,肺鱼的基因大小将近1300亿个碱基 对,达到人类的40倍,而同为鱼类的河豚的基因大小却不到4亿个碱 基对。也就是说,如果给人类的“垃圾DNA”赋予意义,那么也应该 给这些生物的“垃圾DNA”也赋予意义,所以前面的说法不能成立。

他承认ENCODE的发现是惊人的,但同时认为ENCODE的解释是 对基因的诸多误解和错误概念引起的,并对此逐条进行了反驳。比如, 不能因为转座因子或内含子具有调节遗传基因表达的部分,就说转座因 子或内含子整体具有某种功能。再比如,“垃圾DNA”的一半以上是由 RNA转录而成的,这并不意味着其整体具有调节遗传基因表达的某种 功能,而很有可能是噪音(noise )。“垃圾DNA”中的一部分在真核生物基因的进化中起到很大作用,但大部分(特别是基因比较大的物种) 都是停滞不前的,是不能阐述其存在理由的“垃圾”。

《自然》杂志2013年6月6日刊登了食虫植物狸藻的基因解读相关 的研究论文。虽然狸藻的基因比拟南芥小,但其遗传基因的个数反而更 多,有2.85万个。这就意味着,狸藻的基因小并不是因为遗传基因少, 而是因为其“垃圾DNA”相对较少。

研究人员通过分析基因逆向跟踪了狸藻的进化,研究表明,狸藻经历了3次全基因组复制,从而变为十六倍体。即便如此基因也不会变 大,因为复制的遗传基因大多数都消失了,而且该过程中,部分“垃圾 DNA”也会消失。

研究人员在论文末尾得出了这样的结论:“最近很多论文都强调动 物等复杂个体内非遗传基因DNA的重要功能及作用,与此相比,显花 植物所需基因似乎不需要那么多内含子‘暗物质’(darkmatter)中隐 藏的调节因子。”总之,我认为完全摒弃“垃圾DNA”这种说法为时尚早。


内容来源:书问

作者[韩]姜锡基
出版人民邮电出版社
定价39元
书籍比价

分享到

扫描二维码 ×

电子纸书

笑笑爱垃圾桶

常立
清华大学出版社[2014] ¥6

雷电科学史话——你真的知道它有多危险吗

[比]克里斯汀·布克纽、王雪颖
清华大学出版社[2010] ¥6

营养配餐:你真的会吃吗?

万光玲
清华大学出版社[2019] ¥50

财富的真相——你应该知道的98个经济学关键词

蔡平、吴永佩
清华大学出版社[2013] ¥20

被误解的高考:高三应该这样学

娄雷
清华大学出版社[2012] ¥12

修炼你的独到之处——大学会计,应该怎样学

郭翠霞主编
西南财经大学出版社[2010] ¥18

给你一家微企,你能赚钱吗?——创业策划

肖胜平
清华大学出版社[2014] ¥16

难道我们又要搬家吗?

李海生
清华大学出版社[2014] ¥5

国际科技动态跟踪——城市垃圾处理

张红、李纯、李萌、王冠宇
清华大学出版社[2013] ¥55

出版业领先的TMT平台

使用社交账号直接登陆

Copyright © 2020 BookAsk 书问   |   京ICP证160134号


注册书问

一键登录

Copyright © 2020 BookAsk 书问   |   京ICP证160134号