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人体内75%基因是垃圾?“垃圾DNA”吐露人与猩猩差异

来源:科技日报2021-12-02 09:32

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  提到垃圾,我们的第一反应通常是无用的东西。而在我们的体内,有一些DNA,也被称为“垃圾”。那么,这些被称为“垃圾DNA”的,真的是我们体内无用的东西吗?

  近期,一项发表于《细胞·干细胞》的研究发现,之前被我们忽视的部分DNA,即所谓“垃圾DNA”,导致了人类与黑猩猩之间的差异。

  “有一点可以肯定,‘垃圾DNA’绝不是垃圾。”武汉科技大学生物医学研究院教授顾潮江说。

  对人类基因的研究存在阶段性,长期以来,有关“垃圾DNA”的研究成果层出不穷,相互之间既有佐证也有背离,而这一过程,也正是我们解开基因奥秘的必由之路。

  “垃圾DNA”认知与“技”俱进

  “垃圾DNA”一名从英文“Junk DNA”直译而来,最初由日本遗传学家大野乾提出,用来描述基因组中不能编码蛋白质的DNA序列。

  顾潮江介绍,根据早期定义,人类基因中负责编码蛋白的基因数目仅4万个,只占基因组的2%,其他98%均被列为“垃圾DNA”。

  伴随科研进步,“垃圾DNA”的定义也在变化。现在其泛指基因组序列中没有编码功能,既不生成RNA也不产生蛋白质的片段。它们在人类基因组中以重复序列形式广泛存在,结构上分为散在重复序列、串联重复序列和片段重复序列,根据重复次数又可以分为中度重复序列和高度重复序列。

  不仅“垃圾DNA”的定义在变,我们体内究竟有多少“垃圾DNA”,科学家们也莫衷一是。

  2003年,ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements)计划启动,全球400多名科学家参与其中。该计划的目标是在描绘人类基因组图谱基础上,研究各基因的功能信息,建立生物功能性基因目录。研究结果显示,人类基因组中80%的区域具有一定生化功能。

  但美国休斯顿大学生物和生化教授丹·格拉乌尔在《基因组生物学与进化》杂志发表论文称,利用全新模型对人类基因组中功能性基因进行统计,发现功能性基因占比最多只有25%,其他基因都是所谓的“垃圾DNA”。

  顾潮江认为,这个研究“推翻”了ENCODE的结论,将引导科研人员重新聚焦人类基因组研究。

  关于“垃圾DNA”的认知与“技”俱进,那么其到底从何而来?

  已有研究表明,部分“垃圾DNA”起源于病毒,并能调节人体免疫系统。转座元件便属于此类,具体来说,它们是可在基因组中移动的DNA片段,看上去是病毒或细菌等病原体遗留的产物,经过数百万年进化,融入人类基因组。

  而2017年发表在《科学》的一篇文献认为,“垃圾DNA”来源于染色体的不对称分配。该研究显示,两条姐妹染色体的着丝粒在雌性减数分裂过程中相互竞争以获得遗传,而着丝粒重复序列是人类基因组中最丰富的非编码DNA,且具有更多重复拷贝和更多动粒蛋白的“强”着丝粒会被优先遗传给后代。

  功能已现冰山一角

  已经有大量科学家对“垃圾DNA”进行了研究,而这些研究结果不断地表明,“垃圾DNA”绝不是我们体内“无用”的角色,相反,其可能在多方面发挥着重要作用。

  顾潮江介绍,一些“垃圾DNA”可被视为基因的分子开关。“垃圾DNA”中有大量重复DNA序列,能形成特殊的DNA高级结构,并以此调节附近基因的活性。

  有美国科学家分析了11个人类组织中330个源于Alu(高度重复序列)基因组的外显子,鉴别出许多令人感兴趣的外显子。Alu是灵长类特异性的反转录转座子,通过它制造外显子可能有助于形成灵长类的独特属性。

  “垃圾DNA”可通过合成调节性RNA发挥功能。它们能被转录为小分子RNA,控制蛋白质表达,还能激活或抑制基因的表达,协助非常复杂的细胞分裂、分化等。顾潮江介绍,若将这种方法应用于医学,可使癌症基因沉默,意义重大。

  还有研究表明,“垃圾DNA”有可能改变基因组装方式。此前,来自美国北卡罗来纳大学的研究人员发现:一些“垃圾DNA”中的小片段遗传序列告诉基因如何剪接,或可提高、抑制剪接过程,从而改变基因组装方式。

  “垃圾DNA”对人类的影响不仅于此。

  德国和英国的科学家合作发现,在化疗之后,骨髓中造血干细胞会利用“垃圾DNA”转录产生RNA分子增强活化,产生新鲜细胞,促进血液再生。

  研究人员还发现,随着个人基因组测序人数迅速增加,近来在解读他们基因组中的突变,尤其是非编码区突变时,在“垃圾DNA”区域中找到了近百个乳腺癌与前列腺癌的潜在“导火索”,这预示“垃圾DNA”可能是潜在癌症病源。还有研究已在霍奇金淋巴瘤内证明了“垃圾DNA”在何种情况下能够保持活性,从而加快肿瘤生长速度。

  而与上述观点不同,有英国巴斯大学和剑桥大学的研究人员发现,位于基因间的“垃圾DNA”可以转录形成非编码RNA,而这一过程可以阻断细胞癌化。

  此外,美国科研人员开发了一种新的生物信息学方法,用于从测序数据中识别和确定从头串联重复序列突变(简称新生TR突变),并对患有ASD(孤独症谱系障碍)的先证者和未患病手足中的新生TR突变进行全基因组特征分析。发现在ASD先证者中全基因组范围内均存在大量新生TR突变,在胎儿大脑调节区域更为富集,且预计在进化上更具危害性。

  “垃圾DNA”还可能影响神经系统。有研究发现,被认为是“垃圾DNA”的反转录转座子LINE-1在精神分裂症患者的大脑中水平很高,且可以修饰与精神分裂症相关的基因的表达情况。因此,研究人员推测其可能是引发精神分裂症的主要原因。同时,将这部分“垃圾DNA”置于引发精神分裂症的遗传因子下研究,研究人员发现在精神分裂症患者中,LINE-1可以插入到与突触功能相关的基因中,使其正常功能被破坏,故而可以认为,该“垃圾DNA”或是引发精神分裂症的罪魁祸首。

  顾潮江介绍,国外研究团队在发育分子机制研究中,发现在发育期间,来自“垃圾DNA”转录的微RNA在这种细胞与胚层分配过程中发挥着重要作用。悉尼雪梨百年研究所的研究人员通过新一代基因测序技术和复杂的计算机分析技术,揭示特定的白细胞如何使用非编码的DNA来调节一系列控制形状和功能的基因的活性。

  “垃圾DNA”甚至可能影响我们的外貌。有美国研究人员发现,“垃圾DNA”中有一些序列片段,可以像开关或放大器一样影响脸部基因。眼睛或大或小、鼻子是否挺拔、头颅形状等,可能都与这些被称为增强子的序列片段密不可分。

  拨云见雾更多谜团待解

  面对“垃圾DNA”还有哪些疑问亟待解答?

  顾潮江说,随着后基因组时代到来,测序技术的进步让对“垃圾DNA”的解读从中获益。第二、三代测序技术极大地提高了测序通量,可以一次性完成从数十万到数百万的DNA分子测序,使得对一个物种的基因组和转录组深度测序变得方便易行,为“垃圾DNA”解读提供了技术支撑。

  伴随越来越多有功能的“垃圾DNA”被认识和鉴定,实际意义上的“垃圾DNA”将会越来越少。

  顾潮江认为,今后我们或应继续深度分析“垃圾DNA”在以下10个方向中的功能,即DNA复制的调控,转录调节,为遗传物质的程序性重排标记位点,影响染色体的正常折叠和维持,控制染色体与核膜的相互作用,控制RNA加工、编辑和剪接,调制翻译,调节胚胎发育期,DNA修复和帮助对抗疾病。

  一篇发表在《基因组生物学与进化》上的论文称,“垃圾DNA”的时代已经结束。与此同时,随着生命科学不断发展,人们也逐渐意识到“垃圾DNA”不是垃圾。

  “随着技术更新和研究深入,‘垃圾DNA’中会产生越来越多的功能序列。”顾潮江坚定表示。(吴纯新 程 毓

[ 责编:蔡琳 ]
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