提到垃圾，我們的第一反應(yīng)通常是無用的東西。而在我們的體內(nèi)，有一些DNA，也被稱為“垃圾”。那么，這些被稱為“垃圾DNA”的，真的是我們體內(nèi)無用的東西嗎？
近期，一項(xiàng)發(fā)表于《細(xì)胞·干細(xì)胞》的研究發(fā)現(xiàn)，之前被我們忽視的部分DNA，即所謂“垃圾DNA”，導(dǎo)致了人類與黑猩猩之間的差異。
“有一點(diǎn)可以肯定，‘垃圾DNA’絕不是垃圾?！蔽錆h科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院教授顧潮江說。
對(duì)人類基因的研究存在階段性，長(zhǎng)期以來，有關(guān)“垃圾DNA”的研究成果層出不窮，相互之間既有佐證也有背離，而這一過程，也正是我們解開基因奧秘的必由之路。
“垃圾DNA”認(rèn)知與“技”俱進(jìn)
“垃圾DNA”一名從英文“Junk DNA”直譯而來，最初由日本遺傳學(xué)家大野乾提出，用來描述基因組中不能編碼蛋白質(zhì)的DNA序列。
顧潮江介紹，根據(jù)早期定義，人類基因中負(fù)責(zé)編碼蛋白的基因數(shù)目?jī)H4萬個(gè)，只占基因組的2%，其他98%均被列為“垃圾DNA”。
伴隨科研進(jìn)步，“垃圾DNA”的定義也在變化?，F(xiàn)在其泛指基因組序列中沒有編碼功能，既不生成RNA也不產(chǎn)生蛋白質(zhì)的片段。它們?cè)谌祟惢蚪M中以重復(fù)序列形式廣泛存在，結(jié)構(gòu)上分為散在重復(fù)序列、串聯(lián)重復(fù)序列和片段重復(fù)序列，根據(jù)重復(fù)次數(shù)又可以分為中度重復(fù)序列和高度重復(fù)序列。
不僅“垃圾DNA”的定義在變，我們體內(nèi)究竟有多少“垃圾DNA”，科學(xué)家們也莫衷一是。
2003年，ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements)計(jì)劃啟動(dòng)，全球400多名科學(xué)家參與其中。該計(jì)劃的目標(biāo)是在描繪人類基因組圖譜基礎(chǔ)上，研究各基因的功能信息，建立生物功能性基因目錄。研究結(jié)果顯示，人類基因組中80%的區(qū)域具有一定生化功能。
但美國(guó)休斯頓大學(xué)生物和生化教授丹·格拉烏爾在《基因組生物學(xué)與進(jìn)化》雜志發(fā)表論文稱，利用全新模型對(duì)人類基因組中功能性基因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)功能性基因占比最多只有25%，其他基因都是所謂的“垃圾DNA”。
顧潮江認(rèn)為，這個(gè)研究“推翻”了ENCODE的結(jié)論，將引導(dǎo)科研人員重新聚焦人類基因組研究。
關(guān)于“垃圾DNA”的認(rèn)知與“技”俱進(jìn)，那么其到底從何而來？
已有研究表明，部分“垃圾DNA”起源于病毒，并能調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)。轉(zhuǎn)座元件便屬于此類，具體來說，它們是可在基因組中移動(dòng)的DNA片段，看上去是病毒或細(xì)菌等病原體遺留的產(chǎn)物，經(jīng)過數(shù)百萬年進(jìn)化，融入人類基因組。
而2017年發(fā)表在《科學(xué)》的一篇文獻(xiàn)認(rèn)為，“垃圾DNA”來源于染色體的不對(duì)稱分配。該研究顯示，兩條姐妹染色體的著絲粒在雌性減數(shù)分裂過程中相互競(jìng)爭(zhēng)以獲得遺傳，而著絲粒重復(fù)序列是人類基因組中最豐富的非編碼DNA，且具有更多重復(fù)拷貝和更多動(dòng)粒蛋白的“強(qiáng)”著絲粒會(huì)被優(yōu)先遺傳給后代。
功能已現(xiàn)冰山一角
已經(jīng)有大量科學(xué)家對(duì)“垃圾DNA”進(jìn)行了研究，而這些研究結(jié)果不斷地表明，“垃圾DNA”絕不是我們體內(nèi)“無用”的角色，相反，其可能在多方面發(fā)揮著重要作用。
顧潮江介紹，一些“垃圾DNA”可被視為基因的分子開關(guān)?！袄鳧NA”中有大量重復(fù)DNA序列，能形成特殊的DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)，并以此調(diào)節(jié)附近基因的活性。
有美國(guó)科學(xué)家分析了11個(gè)人類組織中330個(gè)源于Alu（高度重復(fù)序列）基因組的外顯子，鑒別出許多令人感興趣的外顯子。Alu是靈長(zhǎng)類特異性的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，通過它制造外顯子可能有助于形成靈長(zhǎng)類的獨(dú)特屬性。
“垃圾DNA”可通過合成調(diào)節(jié)性RNA發(fā)揮功能。它們能被轉(zhuǎn)錄為小分子RNA，控制蛋白質(zhì)表達(dá)，還能激活或抑制基因的表達(dá)，協(xié)助非常復(fù)雜的細(xì)胞分裂、分化等。顧潮江介紹，若將這種方法應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，可使癌癥基因沉默，意義重大。
還有研究表明，“垃圾DNA”有可能改變基因組裝方式。此前，來自美國(guó)北卡羅來納大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)：一些“垃圾DNA”中的小片段遺傳序列告訴基因如何剪接，或可提高、抑制剪接過程，從而改變基因組裝方式。
“垃圾DNA”對(duì)人類的影響不僅于此。
德國(guó)和英國(guó)的科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)，在化療之后，骨髓中造血干細(xì)胞會(huì)利用“垃圾DNA”轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA分子增強(qiáng)活化，產(chǎn)生新鮮細(xì)胞，促進(jìn)血液再生。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，隨著個(gè)人基因組測(cè)序人數(shù)迅速增加，近來在解讀他們基因組中的突變，尤其是非編碼區(qū)突變時(shí)，在“垃圾DNA”區(qū)域中找到了近百個(gè)乳腺癌與前列腺癌的潛在“導(dǎo)火索”，這預(yù)示“垃圾DNA”可能是潛在癌癥病源。還有研究已在霍奇金淋巴瘤內(nèi)證明了“垃圾DNA”在何種情況下能夠保持活性，從而加快腫瘤生長(zhǎng)速度。
而與上述觀點(diǎn)不同，有英國(guó)巴斯大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，位于基因間的“垃圾DNA”可以轉(zhuǎn)錄形成非編碼RNA，而這一過程可以阻斷細(xì)胞癌化。
此外，美國(guó)科研人員開發(fā)了一種新的生物信息學(xué)方法，用于從測(cè)序數(shù)據(jù)中識(shí)別和確定從頭串聯(lián)重復(fù)序列突變（簡(jiǎn)稱新生TR突變），并對(duì)患有ASD（孤獨(dú)癥譜系障礙）的先證者和未患病手足中的新生TR突變進(jìn)行全基因組特征分析。發(fā)現(xiàn)在ASD先證者中全基因組范圍內(nèi)均存在大量新生TR突變，在胎兒大腦調(diào)節(jié)區(qū)域更為富集，且預(yù)計(jì)在進(jìn)化上更具危害性。
“垃圾DNA”還可能影響神經(jīng)系統(tǒng)。有研究發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是“垃圾DNA”的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子LINE-1在精神分裂癥患者的大腦中水平很高，且可以修飾與精神分裂癥相關(guān)的基因的表達(dá)情況。因此，研究人員推測(cè)其可能是引發(fā)精神分裂癥的主要原因。同時(shí)，將這部分“垃圾DNA”置于引發(fā)精神分裂癥的遺傳因子下研究，研究人員發(fā)現(xiàn)在精神分裂癥患者中，LINE-1可以插入到與突觸功能相關(guān)的基因中，使其正常功能被破壞，故而可以認(rèn)為，該“垃圾DNA”或是引發(fā)精神分裂癥的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
顧潮江介紹，國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)育分子機(jī)制研究中，發(fā)現(xiàn)在發(fā)育期間，來自“垃圾DNA”轉(zhuǎn)錄的微RNA在這種細(xì)胞與胚層分配過程中發(fā)揮著重要作用。悉尼雪梨百年研究所的研究人員通過新一代基因測(cè)序技術(shù)和復(fù)雜的計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，揭示特定的白細(xì)胞如何使用非編碼的DNA來調(diào)節(jié)一系列控制形狀和功能的基因的活性。
“垃圾DNA”甚至可能影響我們的外貌。有美國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像開關(guān)或放大器一樣影響臉部基因。眼睛或大或小、鼻子是否挺拔、頭顱形狀等，可能都與這些被稱為增強(qiáng)子的序列片段密不可分。
撥云見霧更多謎團(tuán)待解
面對(duì)“垃圾DNA”還有哪些疑問亟待解答？
顧潮江說，隨著后基因組時(shí)代到來，測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步讓對(duì)“垃圾DNA”的解讀從中獲益。第二、三代測(cè)序技術(shù)極大地提高了測(cè)序通量，可以一次性完成從數(shù)十萬到數(shù)百萬的DNA分子測(cè)序，使得對(duì)一個(gè)物種的基因組和轉(zhuǎn)錄組深度測(cè)序變得方便易行，為“垃圾DNA”解讀提供了技術(shù)支撐。
伴隨越來越多有功能的“垃圾DNA”被認(rèn)識(shí)和鑒定，實(shí)際意義上的“垃圾DNA”將會(huì)越來越少。
顧潮江認(rèn)為，今后我們或應(yīng)繼續(xù)深度分析“垃圾DNA”在以下10個(gè)方向中的功能，即DNA復(fù)制的調(diào)控，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，為遺傳物質(zhì)的程序性重排標(biāo)記位點(diǎn)，影響染色體的正常折疊和維持，控制染色體與核膜的相互作用，控制RNA加工、編輯和剪接，調(diào)制翻譯，調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育期，DNA修復(fù)和幫助對(duì)抗疾病。
一篇發(fā)表在《基因組生物學(xué)與進(jìn)化》上的論文稱，“垃圾DNA”的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束。與此同時(shí)，隨著生命科學(xué)不斷發(fā)展，人們也逐漸意識(shí)到“垃圾DNA”不是垃圾。
“隨著技術(shù)更新和研究深入，‘垃圾DNA’中會(huì)產(chǎn)生越來越多的功能序列?！鳖櫝苯瓐?jiān)定表示。（來源：科技日?qǐng)?bào)）
]]>1.發(fā)現(xiàn)新親戚
一旦你的DNA被添加到一組信息庫(kù)中，就有望找到有血緣關(guān)系的人，雖然你可能與這些人從未見面。
2.尋找親生父母
許多被收養(yǎng)的孩子長(zhǎng)大后通過DNA測(cè)試與家譜記錄相匹配來尋找他們的親生父母。
3.患阿爾茨海默病的風(fēng)險(xiǎn)
一種名為ApoE的基因有三種變異，如果擁有某些變異，在今后患上阿爾茨海默病的幾率較高。
4.預(yù)測(cè)高膽固醇
基因測(cè)試可以揭示你是否擁有會(huì)導(dǎo)致家族性高膽固醇血癥的基因突變。一些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，每500人中就有一人攜帶這種基因突變。
5.患乳糜瀉的風(fēng)險(xiǎn)
如果無法做出明確診斷或采用其他排除法，醫(yī)生可能會(huì)建議乳糜瀉患者進(jìn)行基因檢測(cè)。乳糜瀉患者要么同時(shí)攜帶HLA-DQ2和DQ8基因，要么攜帶其中一個(gè)，攜帶任何一個(gè)都會(huì)增加患乳糜瀉的風(fēng)險(xiǎn)。
6.患癌的風(fēng)險(xiǎn)
有數(shù)千個(gè)基因突變?cè)黾恿嘶及┌Y的風(fēng)險(xiǎn)，但DNA檢測(cè)只對(duì)其中的少數(shù)進(jìn)行測(cè)試。自己解讀陽性或陰性結(jié)果會(huì)加劇擔(dān)憂。一定要接受醫(yī)生指導(dǎo)，不要隨意猜測(cè)。
7.適合接受哪種類型的醫(yī)學(xué)治療
藥物基因組學(xué)是一門關(guān)于基因測(cè)試的科學(xué)，它能揭示哪種醫(yī)學(xué)治療方法對(duì)患者有效。藥物基因組學(xué)通常被用于治療特定類型的癌癥，以確定某種藥物是否起效。目前正在針對(duì)其他疾?。ㄐ呐K病、哮喘、艾滋病等）進(jìn)行量身定制治療的藥物反應(yīng)性測(cè)試。
8.攜帶者檢測(cè)
DNA檢測(cè)可以揭示父母是否將遺傳病傳遞孩子的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)父母有遺傳病的家族史，或者患特定遺傳病的風(fēng)險(xiǎn)增加時(shí)，就顯示出這種檢測(cè)的價(jià)值。
9.產(chǎn)前檢測(cè)
在醫(yī)生指導(dǎo)下，父母可以對(duì)未出生的胎兒進(jìn)行產(chǎn)前DNA檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)胎兒是否有任何染色體異常。它經(jīng)常被用于檢測(cè)高危母親的唐氏綜合征。
10.新生兒篩查
世界許多地區(qū)提供了可以在生命早期治療的某些遺傳疾病的新生兒自動(dòng)篩查，如苯丙酮尿癥（PKU）測(cè)試。如果不加以治療，它會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重健康隱患。
11.對(duì)咖啡因的敏感性
如果你的父母對(duì)咖啡因有很強(qiáng)的耐受性，很有可能你對(duì)咖啡因不敏感。有一些基因變異在體內(nèi)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)對(duì)咖啡因的敏感性，如果父母對(duì)咖啡因敏感，你還是少喝為妙。
12.食物過敏
目前科研人員正在搞基因檢測(cè)研究，希望為食物過敏提供治療方案。在食物過敏的發(fā)展過程中，遺傳和環(huán)境因素都有影響。
13.識(shí)別罪犯
法醫(yī)使用DNA測(cè)試幫助識(shí)別罪犯和受害者。沒有一個(gè)人擁有相同的DNA，這使得它成為一種關(guān)聯(lián)或排除嫌疑人的實(shí)用技術(shù)。
14.結(jié)交親密朋友
雖然志同道合的朋友彼此吸引并不奇怪，但如果一直延伸到DNA領(lǐng)域，就會(huì)令人驚訝。美國(guó)杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院專家發(fā)現(xiàn)，基因?qū)用嫔希笥驯入S機(jī)配對(duì)的陌生人更相似。
15.音樂天賦
美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校心理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，音樂天賦是由遺傳決定的，但需要練習(xí)才能充分顯現(xiàn)出來。
16.不合理的恐懼
美國(guó)西北大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)專家估計(jì)，遺傳基因影響25%~65%特定恐懼癥。雖然目前還沒有發(fā)現(xiàn)單一的恐懼癥基因，但幾個(gè)基因的變異結(jié)合在一起，使某人更容易患上恐懼癥?！ㄖ莒希?/p> ]]>
美國(guó)奇點(diǎn)大學(xué)設(shè)在加州硅谷心臟地帶，2009年創(chuàng)建，美國(guó)宇航局埃姆斯研究中心內(nèi)，是為迎接電腦優(yōu)于人腦的時(shí)代來臨，谷歌(Google)與美國(guó)宇航局(NASA)展開合作，是致力開辦一所培養(yǎng)未來科學(xué)家的學(xué)校。
Raymond McCauley在奇點(diǎn)大學(xué)北京公開課上重點(diǎn)講述了DNA技術(shù)的發(fā)展，他認(rèn)為數(shù)字生物學(xué)、生命科學(xué)開始走俏，其中最重要的便是DNA技術(shù)。由于受摩爾定律的支配，DNA測(cè)序成本在逐漸降低，2014年人類基因測(cè)序成本約為每人1000美元;2016年會(huì)降到4張披薩的成本;而到2020年，其成本差不多為1毛錢。此外，他還提到了若干將基因技術(shù)變成大眾及消費(fèi)產(chǎn)品的科技公司，包括Illumina、23andMe和Second Genome等。
通過基因組序列可以了解基因是如何與癌癥、阿爾茨海默氏癥等聯(lián)系一起的，這樣就能找到方法阻止疾病的發(fā)生。這種方法可以讓人類在不久的將來按照自己的喜好“設(shè)計(jì)”后代，避免出現(xiàn)畸形或疾病。
Raymond McCauley表示，隨著生命的衰老，我們的DNA會(huì)開始出錯(cuò)，而基因修復(fù)技術(shù)的研究，可以保護(hù)我們免受環(huán)境的各種影響，從而開始自我修復(fù)，以保持健康和容顏。
據(jù)西班牙《世界報(bào)》網(wǎng)站7月22日?qǐng)?bào)道，美國(guó)硅谷奇點(diǎn)大學(xué)教授何塞.路易斯.科代羅稱，到2045年，科技的進(jìn)步將能阻止人類的衰老，也就是說人類將可以長(zhǎng)生不老。
不論是愛滋病還是癌癥，或是饑餓，還是別的什么疾病，在不到30年的時(shí)間里，沒有任何疾病可以結(jié)束人類的生命，因?yàn)?，正如他所說，“衰老是一種可以治愈的疾病?！?/p> ]]>