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最新研究表明人体的大部分DNA,不止是“备胎”

2019-8-22 12:20:42来源:网易科技作者:卡麦拉责编:阿迷评论:

人类的基因手册提供了构成人类身体的蛋白质指令,但是残酷的现实摆在人类面前,仅有不足2%的DNA编码人类身体,这意味着人体充满了“垃圾DNA”。

人体剩下的98.5%DNA序列被称为“垃圾DNA”,长期以来,科学家认为垃圾DNA是无用的,这些无蛋白质编码序列就像书稿中的胡言乱语,但是最新研究表明,人体基因组中的“垃圾部分”可能仍然发挥着重要作用。

没有意义的文字

生物体拥有一种独特的基因编写方式,人类基因脚本仅使用4个字母:A, G, C和T。这些字母的较长组合构成了人类基因,提供了蛋白质结构信息。但是蛋白质制造过程并不像看着烹饪食谱做菜那样简单,在将蛋白质结合之前,DNA被转录为RNA链,紧接着RNA链被切割和重新组装成更小的片段。

RNA链被切割的过程中,非编码DNA序列——“垃圾部分”,将被废弃,意味着它们不会用于制造蛋白质,为什么人体会携带如此大量的不必要DNA呢?这是研究人员仍在思考的一个问题,最合乎逻辑的解释是,实际上垃圾DNA并非毫无意义。

垃圾DNA起到“交响乐指挥家”的作用

本世纪初,人类基因计划让人们首次全面了解人类基因脚本,在该计划完成近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(简称ENCODE),这项国际合作研究了基因组中每一个“字母”的功能,并对垃圾DNA进行了重新评估,科学家发现虽然仅有不足2%的基因组能制造蛋白质,但是大约80%的DNA具有某种功能。

然而,DNA元素百科全书对功能的定义相当广泛,任何“生物化学活性”都是公平的游戏,它们被转录为RNA,即使在稍后的过程中被切断,也能被鉴定为具为功能的序列。多数垃圾DNA具有重要作用,其中包括调控DNA如何转录和转变蛋白质,如果蛋白质编码序列是交响乐的音符,那么垃圾DNA就像“交响乐指挥家”,影响着交响乐的节奏。

但并非所有垃圾DNA都具有功能用途,在2008年发表在《细胞分子生物学》杂志的一项研究中,科学家清除了酵母基因组中的垃圾DNA,对于特定基因,他们去除了基因内区——DNA转录后被切断的部分。他们在报告中称,在实验室条件下,去除基因内区对细胞没有显著影响,从而支持了它们没有任何功能的观点。

今年《自然》杂志发表一篇研究报告提出了相反的观点,科学家认为,当食物匮乏时,垃圾DNA对酵母的存活至关重要,基因内区的有用性可能取决于其所处的环境,这与垃圾DNA毫无用处的观点相悖。

有用的“垃圾”

过去10年里,其他研究进展也表明,垃圾DNA可能只是被误解的遗传物质,科学家现在已经将各种非编码序列与各种生物过程甚至是人类疾病联系起来,例如:研究人员认为,垃圾DNA对子宫和对生拇指的发育起到重要作用。2018年,发表在《肿瘤学年鉴》杂志的一项研究表明,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发展。今年发表在《自然遗传学》杂志的一项研究称,基因编码区域以外的突变能导致自闭症。

当前探索非编码基因序列成为科学家研究焦点之一,越来越多的证据显示,非编码基因序列有助于帮助癌细胞克服医学治疗,目前专家们这将成为癌症诊断的一种逆向工具。尽管垃圾DNA有很多功能,但是一些研究人员认为,大部分垃圾DNA不具备功能性,美国休斯顿大学进化生物学家丹·格劳尔(Dan Graur)认为,至少75%的垃圾DNA没有功能。

为了进一步验证,格劳尔使用数学模型来确定DNA的有用性,他考虑到了DNA有害突变的频率——有害突变或者双螺旋结构的断裂,随着时间推移,以及生育率的提高,人类基因出现有害突变概率将增大。因为这些突变可能是致命的,格劳尔在2017年发表在《基因组生物学与进化》杂志的一篇论文中评估称,我们的基因最多不超过四分之一具有功能性,如果超过四分之一,人体将积累大量致命基因突变。

关于垃圾DNA的争议仍然存在,如果格劳尔是正确的,大部分垃圾DNA可能仅是保护有用DNA免遭突变的“草稿纸”,事实是这样的吗?

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关键词:DNA生命蛋白质

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