重複的基因：你我都是復讀機_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-01-29 16:01
人類的本質是復讀機？從基因上看確實如此。不僅每個人體內都有過半的重複DNA序列，而且每個人重複的方式還都不一樣。重複多了，還可能得病。
撰文 | 劉天同（清華大學醫學院）
只要在網上衝浪夠久，你總會遭遇靈魂一問：人類的本質到底是鴿子、檸檬、真香，還是復讀機？
有意思的是，這個問題有答案——從分子生物學上講，我們是復讀機。
在人類基因組中，有一種“自私的垃圾”DNA，它們包含大量類似 GAGAGAGAGA 這樣的重複序列，甚至可以佔據基因組的一半以上。
而它們卻不編碼蛋白質。
所以如此聒噪、狂刷存在感，是要幹啥？今天我們要講的就是這些“垃圾”DNA，看它是真垃圾，還是假垃圾。
生物越複雜，DNA未必越多
常見的生物都有基因組，它是生物體中包含的DNA(部分病毒是RNA)中全部遺傳信息的總和。
我們或許直覺地認為，物種越複雜，其基因組中包含的 DNA 就越多。比如，作為萬物靈長的人類，我們每一個細胞中所含的 DNA 一定超過很多簡單的生物，才能編碼如此豐富的信息。
但人們很快發現，事實並非如此：對不同物種，個體細胞中所含的 DNA 的量不僅差異巨大，而且與決定生物複雜性的基因數量似乎並無多少關係。
*基因，是指有遺傳效應的DNA或RNA片段，其數量越多，生物功能越複雜。
比如，蠑螈基因組的大小是人類的幾十倍，基因數量卻並不比人多，也明顯不如人類複雜。只會吃飯睡覺撓沙發的貓貓，基因組幾乎跟人類一樣大。
於是我們不禁納悶，那些多出來的DNA，是用來當擺設的嗎？
1970年前後，科學家們發現，基因組上有一些 DNA 並不轉錄出 RNA（一般而言，蛋白質都是由RNA翻譯，被稱為“中心法則”），從而也不直接參與蛋白質的合成，它們叫非編碼 DNA。對不同物種，非編碼DNA在基因組中所佔比例有所差別，有時甚至佔到九成以上。
既然不編碼蛋白質，那非編碼DNA有什麼用呢？難道是自然造物的時候走神啦？
基因組裏的噪音：阿巴阿巴阿巴……
1980年，四位科學家在《自然》上發表文章，認為DNA可以分為兩種：特異性的和非特異性的。前者負責蛋白質合成，在細胞裏勤勤懇懇地工作，但只佔一小部分。後者則有三個特點：
其一，基因組裏的大部分 DNA 都是此類；其二，它們通過已有的 DNA 拷貝擴展而來；其三，也是最重要的，無用！
他們認為，非編碼 DNA 並沒有明顯的正面或負面作用，不過是DNA複製過程中不得不產生的副產物。它們如此堂而皇之地賴在細胞中，不幹活還佔地方，只是因為比較“自私”。
不編碼蛋白質的DNA就是自私的垃圾嗎？另一些科學家對此表示懷疑。
一些證據顯示，這些“自私的DNA”並非完全無用。比如在一些物種中，基因組的大小跟細胞週期和世代時間（生物從一次繁殖結束到下一次繁殖結束的時間間隔）有關。所以，或許我們不應該急着將這些冗餘 DNA 扔進垃圾桶。
40多年後的今天，全基因組測序越來越便宜，也越來越普遍了，我們對人類基因組的認識早已今非昔比。科學家發現，人類基因組裏除了與編碼蛋白質有關的特異性 DNA 序列之外，還有相當一部分重複DNA序列——正是它們決定了人類的“復讀機”本質。
基因測序結果表明，在同一人類個體的基因組中，這些序列有的重複幾次，有的重複成千上萬次；其中既有長達1000~200 000個鹼基對的片段重複，也包括短的簡單序列重複；重複的基本單位有時只有一個鹼基（比如AAAAAAAAAA），有時包含幾個鹼基（比如CACACACACAC和CAGCAGCAGCAG）。它們加起來甚至可以佔到人類基因組的一半以上！
人類基因組中為何存在如此多的重複DNA序列？這種“復讀機”本質對我們有哪些影響呢？
你我都是獨特的復讀機
科學家逐漸瞭解到，那些曾被認為是垃圾、自私且毫無用處的重複DNA序列，對基因表達和決定生物性狀至關重要。
*基因表達，指基因通過指導蛋白質合成，將自己表現出來。
以簡單序列重複（簡稱STR）為例，雖然它們只佔人類全基因組的3%，但分佈極為廣泛。據估計，有超過10萬個STR位點遍佈基因組的各個角落。它們既可以直接出現在編碼序列中，直接影響DNA的翻譯產物蛋白質，又可以處於調控序列中，間接影響基因表達。
有趣的是，STR 雖然是看似冗餘的重複序列， 在每個人體內的重複方式卻並不一樣。即使是同一STR位點，在不同個體中，其基本單位的重複次數也有較大差異。這就像是，我們的基因組雖然都有着復讀機的本質，但每個人的復讀方式卻又獨一無二。
實驗證實，STR 與人體的數十種疾病有關，且主要為神經肌肉性疾病，比如舞蹈徵、肯尼迪病、肌萎縮側索硬化等。其中與舞蹈徵有關的 STR 位點位於一個特定基因中，如果它的基本單位的重複次數小於30次，患者就不發病；重複次數越多，則發病年齡越小，症狀越嚴重。
2021年1月13日，《自然》上發表的一項新研究還發現，STR的突變與自閉症有關。研究人員分析了1637 個家庭的全基因組數據，結果發現，罹患自閉症的兒童，他們基因組上的STR突變數量明顯比未患病的兄弟姐妹高出一截。而且與導致舞蹈徵的STR突變不同，這些導致自閉症的STR突變並不侷限於一個特定的基因，而是與很多基因都相關。
自閉症與肥胖類似，和遺傳因素有很大關係，並且難以確定到底是哪些基因在搗鬼，更別説找出什麼具體的突變。而STR突變的加入，為解釋自閉症的遺傳根源增加了一個新維度。
除了研究疾病，STR 序列還因為具有如指紋般的獨特性，在現實生活中有廣泛應用。比如身份認定、親子鑑定、產前檢查等。
2008年，美國洛杉磯的警察就曾通過比對嫌疑人和兇手的STR序列，追蹤到二十多年前一樁連環強姦殺人案的真兇。美國 FBI 則建立數據庫，在國家範圍內收集罪犯或失蹤人員的 STR 序列信息，以提高破案率。
眼下，基因測序已經非常普及，要把每個人的基因組測個明明白白，並非難事。不過，就像猴子可以打出一串字母，但並不知曉意思一樣，我們也遠未明白這些 DNA 序列的含義。它們與RNA、蛋白質如何相互作用，又如何影響我們的生命特徵，許多未知問題仍有待嚴謹的生物醫學探索。
但，關於重複序列的價值討論早已沒有疑義：我們是復讀機，但不是垃圾。
注：以上關於復讀機的比喻僅為文字戲謔，並非科學上的比喻，各位讀者請勿當真。
參考資料
[1] Molecular biology of the cell, 6th
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-020-03078-7
[3] https://www.nature.com/articles/284601a0
[4] https://genome.cshlp.org/content/24/11/1894.full.html
[5] https://www.nature.com/articles/285617a0
[6] https://academic.oup.com/emph/article/2019/1/17/5303511
本文經授權轉載自微信公眾號“十點科學”。