提到垃圾，我們的第一反應通常是無(wú)用的東西。而在我們的體內，有一些DNA，也被稱(chēng)為“垃圾”。那么，這些被稱(chēng)為“垃圾DNA”的，真的是我們體內無(wú)用的東西嗎？
近期，一項發(fā)表于《細胞·干細胞》的研究發(fā)現，之前被我們忽視的部分DNA，即所謂“垃圾DNA”，導致了人類(lèi)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)生物醫學(xué)研究院教授顧潮江說(shuō)。
對人類(lèi)基因的研究存在階段性，長(cháng)期以來(lái)，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(guò)程，也正是我們解開(kāi)基因奧秘的必由之路。
“垃圾DNA”認知與“技”俱進(jìn)
“垃圾DNA”一名從英文“Junk DNA”直譯而來(lái)，最初由日本遺傳學(xué)家大野乾提出，用來(lái)描述基因組中不能編碼蛋白質(zhì)的DNA序列。
顧潮江介紹，根據早期定義，人類(lèi)基因中負責編碼蛋白的基因數目?jì)H4萬(wàn)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在其泛指基因組序列中沒(méi)有編碼功能，既不生成RNA也不產(chǎn)生蛋白質(zhì)的片段。它們在人類(lèi)基因組中以重復序列形式廣泛存在，結構上分為散在重復序列、串聯(lián)重復序列和片段重復序列，根據重復次數又可以分為中度重復序列和高度重復序列。
不僅“垃圾DNA”的定義在變，我們體內究竟有多少“垃圾DNA”，科學(xué)家們也莫衷一是。
2003年，ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements)計劃啟動(dòng)，全球400多名科學(xué)家參與其中。該計劃的目標是在描繪人類(lèi)基因組圖譜基礎上，研究各基因的功能信息，建立生物功能性基因目錄。研究結果顯示，人類(lèi)基因組中80%的區域具有一定生化功能。
但美國休斯頓大學(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(chēng)，利用全新模型對人類(lèi)基因組中功能性基因進(jìn)行統計，發(fā)現功能性基因占比最多只有25%，其他基因都是所謂的“垃圾DNA”。
顧潮江認為，這個(gè)研究“推翻”了ENCODE的結論，將引導科研人員重新聚焦人類(lèi)基因組研究。
關(guān)于“垃圾DNA”的認知與“技”俱進(jìn)，那么其到底從何而來(lái)？
已有研究表明，部分“垃圾DNA”起源于病毒，并能調節人體免疫系統。轉座元件便屬于此類(lèi)，具體來(lái)說(shuō)，它們是可在基因組中移動(dòng)的DNA片段，看上去是病毒或細菌等病原體遺留的產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)數百萬(wàn)年進(jìn)化，融入人類(lèi)基因組。
而2017年發(fā)表在《科學(xué)》的一篇文獻認為，“垃圾DNA”來(lái)源于染色體的不對稱(chēng)分配。該研究顯示，兩條姐妹染色體的著(zhù)絲粒在雌性減數分裂過(guò)程中相互競爭以獲得遺傳，而著(zhù)絲粒重復序列是人類(lèi)基因組中最豐富的非編碼DNA，且具有更多重復拷貝和更多動(dòng)粒蛋白的“強”著(zhù)絲粒會(huì )被優(yōu)先遺傳給后代。
功能已現冰山一角
已經(jīng)有大量科學(xué)家對“垃圾DNA”進(jìn)行了研究，而這些研究結果不斷地表明，“垃圾DNA”絕不是我們體內“無(wú)用”的角色，相反，其可能在多方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。
顧潮江介紹，一些“垃圾DNA”可被視為基因的分子開(kāi)關(guān)?！袄鳧NA”中有大量重復DNA序列，能形成特殊的DNA高級結構，并以此調節附近基因的活性。
有美國科學(xué)家分析了11個(gè)人類(lèi)組織中330個(gè)源于A(yíng)lu（高度重復序列）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(cháng)類(lèi)特異性的反轉錄轉座子，通過(guò)它制造外顯子可能有助于形成靈長(cháng)類(lèi)的獨特屬性。
“垃圾DNA”可通過(guò)合成調節性RNA發(fā)揮功能。它們能被轉錄為小分子RNA，控制蛋白質(zhì)表達，還能激活或抑制基因的表達，協(xié)助非常復雜的細胞分裂、分化等。顧潮江介紹，若將這種方法應用于醫學(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(lái)自美國北卡羅來(lái)納大學(xué)的研究人員發(fā)現：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(guò)程，從而改變基因組裝方式。
“垃圾DNA”對人類(lèi)的影響不僅于此。
德國和英國的科學(xué)家合作發(fā)現，在化療之后，骨髓中造血干細胞會(huì )利用“垃圾DNA”轉錄產(chǎn)生RNA分子增強活化，產(chǎn)生新鮮細胞，促進(jìn)血液再生。
研究人員還發(fā)現，隨著(zhù)個(gè)人基因組測序人數迅速增加，近來(lái)在解讀他們基因組中的突變，尤其是非編碼區突變時(shí)，在“垃圾DNA”區域中找到了近百個(gè)乳腺癌與前列腺癌的潛在“導火索”，這預示“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(cháng)速度。
而與上述觀(guān)點(diǎn)不同，有英國巴斯大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現，位于基因間的“垃圾DNA”可以轉錄形成非編碼RNA，而這一過(guò)程可以阻斷細胞癌化。
此外，美國科研人員開(kāi)發(fā)了一種新的生物信息學(xué)方法，用于從測序數據中識別和確定從頭串聯(lián)重復序列突變（簡(jiǎn)稱(chēng)新生TR突變），并對患有ASD（孤獨癥譜系障礙）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)現在A(yíng)SD先證者中全基因組范圍內均存在大量新生TR突變，在胎兒大腦調節區域更為富集，且預計在進(jìn)化上更具危害性。
“垃圾DNA”還可能影響神經(jīng)系統。有研究發(fā)現，被認為是“垃圾DNA”的反轉錄轉座子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)的基因的表達情況。因此，研究人員推測其可能是引發(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，故而可以認為，該“垃圾DNA”或是引發(fā)精神分裂癥的罪魁禍首。
顧潮江介紹，國外研究團隊在發(fā)育分子機制研究中，發(fā)現在發(fā)育期間，來(lái)自“垃圾DNA”轉錄的微RNA在這種細胞與胚層分配過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用。悉尼雪梨百年研究所的研究人員通過(guò)新一代基因測序技術(shù)和復雜的計算機分析技術(shù)，揭示特定的白細胞如何使用非編碼的DNA來(lái)調節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。有美國研究人員發(fā)現，“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像開(kāi)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(chēng)為增強子的序列片段密不可分。
撥云見(jiàn)霧更多謎團待解
面對“垃圾DNA”還有哪些疑問(wèn)亟待解答？
顧潮江說(shuō)，隨著(zhù)后基因組時(shí)代到來(lái)，測序技術(shù)的進(jìn)步讓對“垃圾DNA”的解讀從中獲益。第二、三代測序技術(shù)極大地提高了測序通量，可以一次性完成從數十萬(wàn)到數百萬(wàn)的DNA分子測序，使得對一個(gè)物種的基因組和轉錄組深度測序變得方便易行，為“垃圾DNA”解讀提供了技術(shù)支撐。
伴隨越來(lái)越多有功能的“垃圾DNA”被認識和鑒定，實(shí)際意義上的“垃圾DNA”將會(huì )越來(lái)越少。
顧潮江認為，今后我們或應繼續深度分析“垃圾DNA”在以下10個(gè)方向中的功能，即DNA復制的調控，轉錄調節，為遺傳物質(zhì)的程序性重排標記位點(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，調制翻譯，調節胚胎發(fā)育期，DNA修復和幫助對抗疾病。
一篇發(fā)表在《基因組生物學(xué)與進(jìn)化》上的論文稱(chēng)，“垃圾DNA”的時(shí)代已經(jīng)結束。與此同時(shí)，隨著(zhù)生命科學(xué)不斷發(fā)展，人們也逐漸意識到“垃圾DNA”不是垃圾。
“隨著(zhù)技術(shù)更新和研究深入，‘垃圾DNA’中會(huì )產(chǎn)生越來(lái)越多的功能序列?！鳖櫝苯瓐远ū硎?。（來(lái)源：科技日報）
]]>1.發(fā)現新親戚
一旦你的DNA被添加到一組信息庫中，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(jiàn)面。
2.尋找親生父母
許多被收養的孩子長(cháng)大后通過(guò)DNA測試與家譜記錄相匹配來(lái)尋找他們的親生父母。
3.患阿爾茨海默病的風(fēng)險
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.預測高膽固醇
基因測試可以揭示你是否擁有會(huì )導致家族性高膽固醇血癥的基因突變。一些統計數據顯示，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
如果無(wú)法做出明確診斷或采用其他排除法，醫生可能會(huì )建議乳糜瀉患者進(jìn)行基因檢測。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。
6.患癌的風(fēng)險
有數千個(gè)基因突變增加了患癌癥的風(fēng)險，但DNA檢測只對其中的少數進(jìn)行測試。自己解讀陽(yáng)性或陰性結果會(huì )加劇擔憂(yōu)。一定要接受醫生指導，不要隨意猜測。
7.適合接受哪種類(lèi)型的醫學(xué)治療
藥物基因組學(xué)是一門(mén)關(guān)于基因測試的科學(xué)，它能揭示哪種醫學(xué)治療方法對患者有效。藥物基因組學(xué)通常被用于治療特定類(lèi)型的癌癥，以確定某種藥物是否起效。目前正在針對其他疾?。ㄐ呐K病、哮喘、艾滋病等）進(jìn)行量身定制治療的藥物反應性測試。
8.攜帶者檢測
DNA檢測可以揭示父母是否將遺傳病傳遞孩子的風(fēng)險。當父母有遺傳病的家族史，或者患特定遺傳病的風(fēng)險增加時(shí)，就顯示出這種檢測的價(jià)值。
9.產(chǎn)前檢測
在醫生指導下，父母可以對未出生的胎兒進(jìn)行產(chǎn)前DNA檢測，發(fā)現胎兒是否有任何染色體異常。它經(jīng)常被用于檢測高危母親的唐氏綜合征。
10.新生兒篩查
世界許多地區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）測試。如果不加以治療，它會(huì )導致嚴重健康隱患。
11.對咖啡因的敏感性
如果你的父母對咖啡因有很強的耐受性，很有可能你對咖啡因不敏感。有一些基因變異在體內負責調節對咖啡因的敏感性，如果父母對咖啡因敏感，你還是少喝為妙。
12.食物過(guò)敏
目前科研人員正在搞基因檢測研究，希望為食物過(guò)敏提供治療方案。在食物過(guò)敏的發(fā)展過(guò)程中，遺傳和環(huán)境因素都有影響。
13.識別罪犯
法醫使用DNA測試幫助識別罪犯和受害者。沒(méi)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。美國杜克大學(xué)醫學(xué)院專(zhuān)家發(fā)現，基因層面上，朋友比隨機配對的陌生人更相似。
15.音樂(lè )天賦
美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校心理學(xué)家發(fā)現，音樂(lè )天賦是由遺傳決定的，但需要練習才能充分顯現出來(lái)。
16.不合理的恐懼
美國西北大學(xué)醫學(xué)院神經(jīng)專(zhuān)家估計，遺傳基因影響25%~65%特定恐懼癥。雖然目前還沒(méi)有發(fā)現單一的恐懼癥基因，但幾個(gè)基因的變異結合在一起，使某人更容易患上恐懼癥?！ㄖ莒希?/p> ]]>
美國奇點(diǎn)大學(xué)設在加州硅谷心臟地帶，2009年創(chuàng )建，美國宇航局埃姆斯研究中心內，是為迎接電腦優(yōu)于人腦的時(shí)代來(lái)臨，谷歌(Google)與美國宇航局(NASA)展開(kāi)合作，是致力開(kāi)辦一所培養未來(lái)科學(xué)家的學(xué)校。
Raymond McCauley在奇點(diǎn)大學(xué)北京公開(kāi)課上重點(diǎn)講述了DNA技術(shù)的發(fā)展，他認為數字生物學(xué)、生命科學(xué)開(kāi)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測序成本在逐漸降低，2014年人類(lèi)基因測序成本約為每人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(qián)。此外，他還提到了若干將基因技術(shù)變成大眾及消費產(chǎn)品的科技公司，包括Illumina、23andMe和Second Genome等。
通過(guò)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(lèi)在不久的將來(lái)按照自己的喜好“設計”后代，避免出現畸形或疾病。
Raymond McCauley表示，隨著(zhù)生命的衰老，我們的DNA會(huì )開(kāi)始出錯，而基因修復技術(shù)的研究，可以保護我們免受環(huán)境的各種影響，從而開(kāi)始自我修復，以保持健康和容顏。
據西班牙《世界報》網(wǎng)站7月22日報道，美國硅谷奇點(diǎn)大學(xué)教授何塞.路易斯.科代羅稱(chēng)，到2045年，科技的進(jìn)步將能阻止人類(lèi)的衰老，也就是說(shuō)人類(lèi)將可以長(cháng)生不老。
不論是愛(ài)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(méi)有任何疾病可以結束人類(lèi)的生命，因為，正如他所說(shuō)，“衰老是一種可以治愈的疾病?！?/p> ]]>