你身上的DNA有“垃圾”?真的吗

2018年05月05日12:24  来源:广州日报
 
原标题:你身上的DNA有“垃圾”?真的吗

  非编码区DNA: 突变或会增加后代自闭症风险

  在过去十几年里,关于“垃圾DNA”的研究和探讨从未停止过。不久前,在一份最新的研究中,来自加州大学圣地亚哥分校的遗传学家,通过对来自2600个家庭、共九千多名参与者的完整基因组进行分析,调查父母遗传给自闭症和非自闭症子女的模式,最后获得了惊人的发现——遗传自父亲的,曾被认为属于“垃圾DNA”的结构变异也可能会导致后代患自闭症。

  研究者曾经认为,母亲更有可能传递促进自闭症的基因变异,但研究结果却否定了这项推论。数据显示,母亲只会将一半的结构变异遗传给她们的孩子,而父亲实际上遗传了他们超过50%的结构变异,简单地说,自闭症儿童是从他们的父亲那里得到更多的结构变异,而不是母亲。

  近年来,科学家们鉴定出了数百个或能影响大脑发育、增加患自闭症风险的基因变异,这些基因的变异都拥有一个共通点,就是都主要发生在DNA中能直接编码蛋白质的区域(即编码区)。然而在这次调查所谓“非编码DNA”的新研究发现,调节基因活性的DNA区域(某些非编码区)的改变,也可能会导致自闭症。这里提到的“非编码区”,就存在于曾被科学家们定义为“垃圾区域”的地方。

  对于科学家而言,关于这项研究他们最想要了解的是,为何自闭症儿童会从他们的父亲那里继承到调控区域的风险变异。对于普通人而言,或许都会对“垃圾DNA”这个字眼产生兴趣。什么叫做“垃圾DNA”?既然被定义为“垃圾”,为何还能左右我们的人生?

  专家声音

  有用或无用?“垃圾”的归类范畴在不断变化

  正当大家在这样狂欢的时候,那一大堆垃圾上忽然冒出一根梗子,一株树,一朵庞大的花,一个巨大的菌子,一个完整的屋顶——这几句话出自童话大王安徒生《守塔人奥列》故事,有研究者认为这段描述,或许也可以用在垃圾DNA的经历上。不妨让我们来聊聊,这些位于非编码区的、曾经被科学家们比喻为“垃圾”的DNA。

  “Junk DNA(垃圾DNA)”的概念并不新鲜,其实早在1960到1970年间就被科学家所发现,之所以称之为“垃圾”,是因为这些DNA序列不具备制造蛋白质的指令。前几年有科学家指出,人类的基因组或许只有8%~14%是具有功能性的,而且这个比例不会超过25%。换句话说,保守估计我们的基因组中有75%的DNA,都是没有任何功能的垃圾。这篇论文发表后立刻引起了学术界很大的反响,爱丁堡大学的研究者表示,这项发现与他们在2014年的一项研究非常接近——当时,他们得出的结论是只有8%的DNA是具有功能性的。

  当科研界的探讨如火如荼之时,对于“垃圾DNA”的概念,我们大部分人的了解却少之又少。北京理工大学生命学院谭信教授在接受记者采访时表示,随着基因组研究的进展,垃圾DNA的内容也在不断发生改变。既往一些被认为是垃圾DNA的序列,因发现能编码蛋白质或对蛋白质合成具有影响,从而退出“垃圾”的行列。

  “例如发现一些DNA序列虽然不编码蛋白质,但可以转录成小的RNA片段,这些小RNA对基因表达具有影响。”他说,“当然,也会有一些基因序列被发现确实没有曾被认为的功能,而被归入垃圾DNA,例如一些曾经具有功能,但在进化过程中失去功能的基因片断。”

  “寄生虫DNA”:数量庞大的原因在于“无侵略性”

  我们很好奇,在人类这种结构精巧的生物体内,为何会存在毫无意义的、数量巨大的“垃圾”呢?难道仅仅是进化遗留的产物吗?

  “所谓的‘功能’是人类自己定义的,其依据是这些基因序列是否与蛋白质的表达有关,是否能为构造我们的身体、并对身体的某种机能活动做出贡献,但站在基因的角度来说,并不一定是它存在的意义。只要它们能复制自己,并依赖生物体将这些复制的拷贝传下去,它就能够存在。”谭信教授告诉记者,这些垃圾DNA之所以能够拷贝自己,有赖于其他“有功能的”基因的活动,所以关于“寄生虫DNA”的说法也并非完全是污蔑,因为那些DNA只是依赖其他基因的帮助复制并存在下去,而对其他DNA的存在毫无帮助。

  同样作为进化的产物,其实无分孰是孰非,不同的DNA只是使用了不同的生存策略。“这也是由于生物进化产生的优势,允许它们‘养活’这些垃圾DNA,就如当人类农业生产发达到一定程度,只有少部分人种地就可以养活大量不种地的人口一样。”谭信教授解释说。

  有趣的是,正是由于这些垃圾DNA不指导蛋白质的合成,它们拷贝数的增加,并不会扰乱生物体已经形成的生理活动和选择优势,所以才可以自由地“肆无忌惮”地在基因组中增加拷贝数;对比之下,那些能够合成蛋白质的“有功能的”基因,就缺少这种权利。谭信教授说,正因如此,在基因组进化过程中,垃圾DNA的扩增速度比“有功能的”基因快得多,时至今日,垃圾DNA占据基因组的多数份额。

  【话题延伸】

  垃圾DNA:垃圾还是宝贝?

  关于垃圾DNA究竟是否“垃圾”的探讨,在学术界一直很激烈。随着近年来科学进展,研究者们渐渐发现,其实很多“非编码DNA”实际上转录成了“非编码RNA”, 而这些非编码的RNA是否存在着功能,存在许多争议。

  譬如说,来自英国巴斯、剑桥大学和美国研究团队通过研究确定,存在于基因间的垃圾DNA其实能阻止癌细胞的转变,因而拥有抑制癌症发生的功用;美国科学家发现,“LeXis”这个垃圾DNA并非一无是处,或许可以利用它来治疗心脏病;加州大学的科学家们发现,曾被视为垃圾的某种基因,在大脑发育中扮演着重要的角色,甚至还与一些严重的神经疾病有关……

  “一段DNA到底是不是垃圾,主要还是看它们是否有功能。”谭信教授告诉记者,在后来的研究发现很多DNA序列,虽不编码蛋白质但会影响蛋白质的形成,所以就被归入基因当中。进入21世纪后,越来越多的能够转录形成RNA、但不编码蛋白质的DNA序列被发现,这些被转录的RNA统称为“非编码RNA”。它们可能具有某些重要的功能,比如可以调节其他基因的转录或翻译效率;而如果它们异常,就可能影响基因的功能,进而影响人体的健康状况,造成肿瘤等病理状态。

  “目前已经发现并命名的非编码RNA有很多,它们都具有特定的功能,此外还有许多非编码RNA的功能尚有待确定。”谭信教授表示,“一旦发现它们的具体功能,编码它们的DNA序列就会脱离‘垃圾DNA’的范畴。”

  在采访的最后,谭信教授告诉记者,英国进化生物学家道金斯在他的名著《自私的基因》中,将DNA和承载它们的生物之间的关系做了有趣的说明——

  所有生物个体和群体都只是DNA的临时承载体,生物个体迟早会死亡,只有基因才能传给下一代,因而是永恒的。DNA的目的就是使自身更多、更快地复制,因而其本质是自私的。DNA或通过控制生物的各种活动和行为,使生物在自然选择中取得优势而繁衍自身;或在基因组内部直接增加自己的拷贝数,通过“搭便车”的方式使自己代代相传;后者就被人类视为“垃圾DNA”。

  所以,垃圾DNA是否真是“垃圾”,它们真的毫无用处还是至今为止我们没有发现它的用处,尚待研究。

(责编:李语、陈育柱)
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