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人体DNA“垃圾”成灾?

 

CCTV.com  2007年12月20日 10:46  来源:《科技日报》  

  人类基因组测序工作的最终完成,花费了全球6个国家的顶尖科学家们10年多的时间和精力以及30亿美元的财力。虽然不断有科学家报道他们关于治病基因的发现成果,但含有30亿碱基对的人类基因组数量太庞大,基因疗法距离实际运用还需要很长时间的等待。几十年来,不断有科学家认为,基因组中有很多DNA(脱氧核糖核酸)并没有特殊功能,甚至有科学家将这些DNA称为“垃圾DNA”,这些垃圾DNA从人体去除后也不会对人类基本活动带来严重后果,但是反对者却认为每个DNA都有自己特定的功能,关于垃圾DNA是否存在一直存在争论。

  不知何用的DNA达98%

  使用电脑的人都知道,自己电脑中经常会出现一些“膨胀软件(bloatware)”,这些程序是商家附带在电脑中进行实验用的,很多用户并不需要,但它们却占去了电脑宝贵的空间,甚至大大降低了电脑系统的运行速度。这些无关程序对计算机用户来说,就是垃圾程序,应该将它们扔进垃圾桶,计算机才会快速运行。

  与此类似,上个世纪70年代,就有生物学家提出,人类在数万亿年的进化过程中,体内累积了很多没有明显功能的基因,这些基因占到整个基因组的大多数,这些基因就是垃圾DNA,没有它们,人类的基本活动并不会受到影响。

  在DNA的碱基对双螺旋结构发现后,科学家证实,基因组是一系列DNA序列,这些DNA序列就是基因,这些基因的功能就是为人体蛋白质的形成提供编码。但是,科学家发现,这些负责蛋白质形成的编码DNA实际上只占整个基因组的2%,余下的98%是非编码DNA,这些非编码DNA不具有编码人体蛋白的功能,它们有什么用呢?

  非编码DNA大多是“垃圾”?

  提出垃圾DNA主张的科学家们推断,这些非编码DNA中的极大多数应该没有什么特殊功能,是垃圾DNA的重要组成部分。

  从上世纪70年代至今,科学家们一直在不断研究这些非编码DNA的功能,以发现它们的用武之地。研究发现,非编码DNA中某些特定序列能够与特定蛋白质结合,这些特定蛋白质反过来激活或阻碍周围相关基因的表达,这些非编码DNA成为调控DNA,调控功能对人类和其他生物都有重要意义。

  虽然发现了非编码DNA的调控和其他功能,但这些只占到非编码DNA的极少部分。科学家们通过对10年来破译的大约1000种物种的基因组序列进行比较发现,人类和很多其他物种拥有许多相同基因,脊椎动物体内的蛋白质编码DNA大部分非常类似,这些物种在经过数亿年的进化后,体内DNA逐渐固定化并保留下来,包括编码DNA和多数非编码DNA。我们知道,受到化学或放射条件的影响,DNA在复制过程中经常会发生变异。但是上述的研究结果却表明,不同物种在进化过程中,许多非编码DNA一成不变地保留了下来,它们并没有受到外界环境的影响而发生变异。科学家们将这些DNA称为超保留非编码DNA,并据此推断,这些保存下来的非编码DNA一定具有某种重要功能,一旦它们发生变异,并将对物种造成严重伤害。

  超保留DNA少的可怜

  为了研究这些超保留非编码DNA究竟有什么功能,美国劳伦斯贝克里国家实验室的科学家爱德华?罗宾教授最近做了一个实验,他将人类和老鼠共有的超保留DNA序列进行复制,然后将这些复制序列加入实验鼠体内,结果发现,几乎一半的DNA序列能够激活神经系统发育等特定组织的基因表达。这些结果表明,大多数超保留非编码DNA是大脑细胞形成所必需的。

  科学家同时发现,超保留DNA在整个基因组中的比例相当少,只有1.2%?5%,那么还有95%的非编码DNA在做什么呢?

  科学家认为,如果单就序列而言,超保留非编码DNA比例很小,但有些DNA虽然序列发生了一些改变,但它们的三维结构并没发生改变。美国波斯顿大学的斯蒂芬教授研究发现,一些调控DNA虽然序列不同,但三维结构还是非常相似,这种三维结构沿袭下来的DNA也应该算在保留非编码DNA家族中,这样非编码DNA的比例可能更高一些。但还是有大量非编码DNA并没有保留下来。

  非编码RNA功能仍是一个谜

  由于在蛋白质形成的第一步,DNA要变成信使RNA,科学家认为,一些非保留DNA被转录成RNA。编码DNA中含有大量非编码DNA的分支,这些分支称为内含子,在整个基因组中内含子的比例大约有25%,这些内含子被转录成RNA后,大部分很快被编译成原始RNA,被加工的RNA只有整个基因组的2%。

  但是几年前美国生物技术公司Affymetrix科研人员研究发现,非编码DNA占到整个基因组的85%?97%,这些非编码DNA能够被转录成原始RNA,被加工RNA也达到整个基因组的18%,科学家将这些RNA称为非编码RNA。在这些非编码RNA中,比较短的RNA在调控基因表达中发挥了重要作用,大多数长的RNA功能仍然是一个谜。多年来,科学家们只是偶尔发现非编码RNA的一些功能,比如在热休克蛋白质形成过程中,一种非编码RNA是编码基因的促进剂;一种非编码RNA能够在老鼠的大脑、面部以及肢体发育过程中控制基因的表达。

  由于这方面的进展不多,许多非编码RNA仍然是一个谜,科学家们的观点也存在争论。一些科学家认为,大多数非编码RNA只是基因转录过程的副产物,具有偶然性;而另一些科学家认为,非编码RNA并不是随意形成的,它们往往在特定的基因区域形成,特别是在大脑发育中,它们不是偶然形成的副产物。英国牛津大学的兰特教授研究认为,50%的非编码RNA具有特定功能,位于英国剑桥的欧洲生物信息研究所的伯尔尼教授认为,有用的非编码RNA不到20%。

  大多数DNA似乎可有可无

  尽管科学家们在比例上存在分歧,但没有一个人认为大多数基因组具有重要功能。伯尔尼教授认为,75%的基因是垃圾,只有10%具有重要功能。兰特教授也认为,有用的基因不会超过50%。大多数科学家一致同意,有用基因最多不超过基因组的50%。

  人类基因组中有一半基因是寄生虫DNA的复制品,这些寄生虫DNA又叫转位子,它们往往不断复制直到发生变异后失去活性,并没有特别的有用功能。这些转位子只有少数具有活性,会导致人体发生疾病。研究人员发现,在哺乳动物的超保留DNA中,转位子占到5%,这些转位子中有些也参与基因调控。但大多数并不是人类基本活动所必需的,这些基因的“功能”可有可无。

  伯尔尼教授领导的科研小组正在进行一项称为“编码”的科研项目,他们从人类基因组中选取了44个大型基因序列,其中4.9%是保留DNA,结果表明,大约一半的保留DNA具有某种功能,而且许多具有特定功能的非编码DNA在人体内存在,但在老鼠中却没有保留下来。这些结果表明,这些重要的基因序列决定了人类不同于老鼠。

  虽然这些非编码DNA具有区别物种的重要功能,但在整个基因组中只占到极小比例,大多数可有可无,只是在进化过程中偶然出现的,既不会妨碍也不会帮助生物的发育。

  科学家认为,要弄清这些基因的功能,只有通过实验设计,从动物体内除去这些基因,然后观察是否会对动物造成严重的后果。罗宾教授正在进行这样的实验。

  几年前,罗宾研究小组从老鼠体内删除两个大型非编码DNA片段,这些DNA每个大约包含100万个碱基对,结果表明,失去这些基因的老鼠并没有明显的后果表现。

  罗宾教授目前正在进行中的实验是,从老鼠体内移出4个公认为具有重要功能的超保留非编码DNA,而且这4个DNA位于重要基因附近,如果它们具有重要功能,一旦移出,老鼠应该被杀死或者至少造成严重的健康问题。

  但是一年来,实验中的动物健康得很,研究人员惊奇地发现,被移走基因的老鼠与正常老鼠相比,发育、寿命、生育能力、体重以及血化学特性等都没有显著性差异。这个实验结果目前还没有公开发表,只在一次会议上内部公开。有些科学家解释说,这些被移走的基因能够很快被周围相同功能的基因补充,所以没有表现出显著性差异。

  或许随着相关研究的大量出现,垃圾DNA的说法是否合理才会最终证实。

责编:常颖

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