本文來自微信公眾號：nextquestion（ID：gh_2414d982daee），作者：Jake Buehler，譯者：Vicky，校對&編輯：EY，頭圖來自：unsplash

把人類基因組想象成一根繩子，它延伸到了一個足球場那么長，而編碼了蛋白質(zhì)的所有基因則位于末端，在你的腳邊。向前邁出兩大步，你便把所有蛋白質(zhì)信息置之身后。

人類基因組的DNA里面有30億對堿基對（base pairs），但是其中只有2%編碼了蛋白質(zhì)。其余似乎只是無用之物，充斥著大量重復(fù)的基因序列和基因組的死胡同，它們通常被標記為“垃圾DNA”（junk DNA）。這些遺傳物質(zhì)的分配方式極其浪費，令人咋舌，但這一現(xiàn)象并不僅僅存在于人類基因組中：有很多細菌貌似也會將20%的基因組“浪費在”非編碼的填充物上。

什么是非編碼DNA？圍繞這一話題，仍有許多未解之謎。它是毫無價值的垃圾還是另有用途？從生物學角度來說，至少部分非編碼DNA對生命體是至關(guān)重要的。但即便是拋開功能性不談（或是缺少功能性），研究者們逐漸開始注意到非編碼DNA是如何成為細胞的基因源，又是如何成為新基因演化的“育嬰室”。

倫敦布魯內(nèi)爾大學遺傳學家克里斯蒂娜·西蘇（Cristina Sisu）表示：“'垃圾DNA’這一術(shù)語已經(jīng)逐漸消失不見了?！?/p>

“垃圾DNA”具有何種功能？

“垃圾DNA”的說法可追溯到20世紀60年代，當時科學家們只是隨口一提。但是到了1972年，他們逐漸在更為正式的語境下援引這個術(shù)語。正是這一年，遺傳學家和演化生物學家大野乾（Susumu Ohno）使用了這一術(shù)語，來辯證大量基因組在經(jīng)過了數(shù)千年的被動積累之后，不可避免地會存儲一些沒有編碼任何蛋白質(zhì)信息的基因序列。在那之后不久，研究者們搜集到了有力證據(jù)，證明了基因組中這樣的“垃圾DNA”數(shù)量是如何之多、其源頭是如何的多樣化、以及即便缺少蛋白質(zhì)相關(guān)信息，有多少仍然轉(zhuǎn)錄為了RNA。

?人類基因組中有98%未編碼任何蛋白質(zhì)，有時被稱為“垃圾DNA”，但是實際情況卻比這個簡單直接的名稱更復(fù)雜。圖片來源：Samuel Velasco/Quanta Magazine

西蘇表示，基因測序技術(shù)的進步，尤其是過去20年間的進步，已經(jīng)很大程度上改變了科學家們對非編碼DNA和RNA的看法。盡管這些非編碼基因序列沒有編譯任何蛋白質(zhì)信息，它們有時會被演化所塑造，以滿足不同目的。結(jié)果就是，各種各樣的“垃圾DNA”所具有的功能正逐漸明朗起來——如果它們有任何功能的話。

細胞用部分的非編碼DNA來創(chuàng)造出多樣化的RNA分子，從多個途徑調(diào)節(jié)和輔助蛋白質(zhì)生成。這些分子的種類不斷增加，包括小核RNA、微小RNA、小干擾RNA以及多種其它類型的RNA。有些是短片段，典型特征是少于24對堿基對；還有一些堿基對數(shù)量更多，片段更長。有些呈現(xiàn)出雙鏈結(jié)構(gòu)或是自我向后折疊，形成發(fā)卡環(huán)（hairpin loops）。但它們都可以選擇性地結(jié)合某個目標，比如信使RNA轉(zhuǎn)錄物，以促進或抑制該目標轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。

這些RNA對有機體的健康影響很大。舉例來說，實驗性地阻斷小鼠的某些微小RNA會誘發(fā)一些失調(diào)癥狀，例如震顫和肝功能障礙。

迄今為止，人類和其他很多有機體基因組中最大類別的非編碼DNA由轉(zhuǎn)座子（transposons）和能夠改變其在基因組中位置的DNA片段組成。昆士蘭大學的遺傳學家賽斯·奇塔姆（Seth Cheetham）表示，這些“跳躍基因”傾向于在整個基因組中多次自我復(fù)制——有時甚至可以產(chǎn)生成百上千個副本。最常見的是反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，通過復(fù)制自己的RNA，它們可以在基因組中其它位置反轉(zhuǎn)錄為DNA，從而實現(xiàn)高效擴散。人類基因組約有一半由轉(zhuǎn)座子組成；在某些玉米植株中，這一比例可高達90%。

? 轉(zhuǎn)座子插入基因組。圖片來源：Olivia Foster Rhoades（Transposons: Your DNA that’s on the go）

非編碼DNA還出現(xiàn)在人類和其他真核生物體（擁有復(fù)雜細胞的有機體）基因里的內(nèi)含子序列中，這些內(nèi)含子序列會干擾編碼了蛋白質(zhì)的外顯子序列。當基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄時，外顯子RNA會被編接進mRNA，同時大部分內(nèi)含子RNA會被丟棄。但是有些內(nèi)含子RNA會轉(zhuǎn)化為參與蛋白質(zhì)生成的小RNA。我們尚未得知為什么真核生物體會有內(nèi)含子，但是研究者們猜想，內(nèi)含子讓外顯子更容易重新排序，形成新的組合，以此來加速基因演化。

基因組中大量多變的非編碼DNA由高度重復(fù)、長短不一的基因序列組成。例如位于染色體末端的端粒，就是由大量此類基因序列組成。這樣的重復(fù)似乎能幫助染色體維持其完整性。（重復(fù)減少導致的端?？s短與衰老有關(guān)。）但是細胞中很多重復(fù)性的活動目的未知，它們在演化的過程中得而復(fù)失、失而復(fù)得，似乎并沒有產(chǎn)生什么不良的后果。

“假基因”也有實際價值？

最近，許多科學家都對一類非編碼DNA感興趣，那就是假基因（pseudogenes）。通常認為這類基因是工作基因的殘留物，被意外復(fù)制之后通過變異被分解。只要原始基因有一個副本在工作，自然選擇對保持多余副本的完整性影響不大。

假基因與斷裂基因類似，看上去像是典型的基因廢棄物。但是奇塔姆警告說，有些假基因也許根本不“假”。他表示，有許多假基因被認為是已知基因的缺陷性副本，這些基因雖然被打上了“假”的標簽，但卻并沒有實驗去證明他們?nèi)狈嵱脙r值。

假基因也可以演化出新的功能。奇塔姆表示，如果這些基因的RNA與工作基因足夠相似，那么“有時它們可以實際控制原基因的活動。”西蘇注意到，2010年，有一項科學研究發(fā)現(xiàn)，假基因PTENP1也是可以調(diào)控腫瘤生長的RNA。這一發(fā)現(xiàn)促使許多研究人員更為仔細地研究看似無用的假基因。

由于非編碼基因序列是動態(tài)的，它們對基因的影響也是千變?nèi)f化，既可能成為新基因演化的助推力，也可能是原材料。研究人員發(fā)現(xiàn)，基因ERVW-1就是一個很好的例子。該基因編碼了一種蛋白質(zhì)，對舊世界猴（Old World Monkeys）、猿猴和人類胎盤生長至關(guān)重要。其誕生要追溯到大約2500萬年前，一種遠古靈長類生物經(jīng)歷了逆轉(zhuǎn)錄病毒感染，這個基因搭上了逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的“順風車”，進入到了動物基因組中。逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子“幾乎是指派了這個元件，在基因組周圍上躥下跳，最后將其轉(zhuǎn)化為了某種對人類發(fā)展非常關(guān)鍵的東西”。

但是，到底有多少這樣的DNA真正符合“垃圾DNA”的標準，也就是說對細胞毫無用處呢？有關(guān)這個話題的爭論非常激烈。2012年，DNA元件百科全書（Encyclopedia of DNA Elements, Encode）研究計劃宣布，他們發(fā)現(xiàn)人類基因組中有80%的區(qū)域似乎可以發(fā)生轉(zhuǎn)錄，或是從生物化學的角度來說處于活躍狀態(tài)，因此可能是有一定實際功能的。但是，科學家圍繞這一結(jié)論展開了廣泛地爭論，他們指出DNA轉(zhuǎn)錄的原因中有很多與生物效用毫無關(guān)聯(lián)。

多倫多大學的亞歷山大·帕拉佐（Alexander Palazzo）和圭爾夫大學的T·瑞安·格雷戈里（T. Ryan Gregory）提出了一些證據(jù)，包括演化考量和基因組規(guī)模，這些都有力表明“真核生物的基因組充滿了低層次轉(zhuǎn)錄的垃圾DNA”。休斯頓大學的丹·格羅爾（Dan Graur）爭辯稱，由于基因突變，人類基因組中只有不到四分之一的區(qū)域在演化過程中能夠保留功能。然而，這些觀點都可以佐證轉(zhuǎn)座子“自私”的行為影響了其宿主基因的演化。

奇塔姆認為關(guān)于“垃圾DNA”的固有觀念已經(jīng)阻礙了科學家們提出問題，探索其是否名副其實。他說：“這個稱呼已經(jīng)打消了大家去探索這些DNA是否具有某些功能的念頭?！绷硪环矫妫靡嬗诨驕y序技術(shù)和其它科學手段的進步，“我們現(xiàn)在正處于了解非編碼DNA和非編碼RNA的黃金時代，”多倫多大學遺傳學家張兆雷（Zhaolei Zhang）表示。他主要研究基因序列在某些疾病中所扮演的角色。

未來，研究人員們可能會越來越少稱呼任何非編碼基因序列為“垃圾”，因為現(xiàn)在有更多更為精準的描述方式。對于西蘇來說，該領(lǐng)域研究要想前進，最好的方式就是用開放的心態(tài)去評估非編碼DNA和RNA的“古怪之處”，以及它們的生物重要性。人們應(yīng)該“退一步去思考，甲之砒霜可以是乙之蜜糖”。

來源：https://www./the-complex-truth-about-junk-dna-20210901/

本文來自微信公眾號：nextquestion（ID：gh_2414d982daee），作者：Jake Buehler