來源：科技日報
科技日報記者 吳純新 通訊員 程毓
生活中，什麼是垃圾，為人熟知；而在人類基因探秘征途中，哪些DNA是垃圾、有沒有垃圾DNA，科研人員莫衷一是。
“有一點可以肯定，‘垃圾DNA’絕不是垃圾。”武漢科技大學生物醫學研究院教授顧潮江說，對人類基因的研究存在階段性認知和判斷，“知之為知之，不知為不知，是智也。”科學探索亦如此。長期以來，有關“垃圾DNA”的研究成果層出不窮，相互之間既有佐證也有背離，逐步解開“垃圾DNA”基因奧妙所在。
“垃圾DNA”認知與技俱進
“垃圾DNA”名稱，從英文“Junk DNA ”直譯而來，其概念最初由日本遺傳學家大野乾提出，以描述基因組中不能夠編碼蛋白質的DNA序列。
顧潮江介紹，根據早期定義，人類基因中負責編碼蛋白的基因數目僅4萬個，只佔基因組的2%，其他98%均被列為“垃圾DNA”。
伴隨科研進步，“垃圾DNA”現在泛指基因組序列中沒有編碼功能，既不生成RNA也不產生蛋白質的片段，包括多種型別的“Non-coding DNA，非編碼DNA”。它們在人類基因組中以重複序列形式廣泛存在，結構上分為散在重複序列、串聯重複序列和片段重複序列，根據重複次數可以分為中度重複序列和高度重複序列。
早在2003年，ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements)計劃啟動，吸引全球400多名科學家參與。該計劃在人類基因組計劃描繪出人類基因組圖譜基礎上，研究各基因的功能資訊，建立生物功能性基因目錄。該計劃研究結果顯示，人類基因組中80%的區域具有一定生化功能。
而美國休斯頓大學生物和生化教授丹·格拉烏爾在最新一期《基因組生物學與進化》雜誌發表論文稱，利用全新模型對人類基因組中功能性基因進行統計，發現功能性基因佔比最多隻有25%，其他基因都是所謂的“垃圾DNA”，即無用甚至有害的DNA。
顧潮江認為，這個研究不僅“推翻”ENCODE的結論，還將引導科研人員重新聚焦人類基因組研究。
認知與技俱進，那麼“垃圾DNA”到底從何而來？
已有研究表明部分“垃圾DNA”起源於病毒，並能調節人體免疫系統。研究人員發現，在這個過程中，一類被稱為“轉座元件”的＂垃圾DNA＂起到重要作用。
轉座元件是那些可在基因組中移動的DNA片段，看上去是病毒或細菌等病原體遺留的產物，經過數百萬年進化，融入人類基因組。
顧潮江介紹，占人類基因組10%的串聯重複序列，主要分佈在非編碼區，少數位於編碼區。編碼區中的串聯重複序列與功能有關，非編碼區的串聯重複序列多分佈在間隔DNA或內含子，重複單位短的僅2bp，長的可達數十鹼基對，重複次數少則數次、多則幾百次。重複序列的重複次數不同，是形成DNA長度多型性的基礎。
同時，也有研究表明“垃圾DNA”因染色體不對稱分配優先遺傳給後代。2017年，一篇發表在Science的文獻表明，“垃圾DNA”來源是由於染色體的不對稱分配。該研究顯示，兩條姐妹染色體的著絲粒在雌性減數分裂過程中相互競爭以獲得遺傳，而著絲粒重複序列是人類基因組中最豐富的非編碼DNA，具有更多重複複製和更多動粒蛋白的“強”著絲粒被優先遺傳給後代。
功能識別已現冰山一角
“垃圾DNA”中大量重複DNA序列，能形成特殊的DNA高階結構，並以此調節附近基因的活性。一些控制基因開和關的特殊蛋白(轉錄因子)能特異識別基因附近的非編碼“垃圾DNA”，透過與它們相互作用參與基因的抑制與啟用。
顧潮江說，這些“垃圾DNA”可以視為基因的“分子”開關。
近日，美國科學家分析了11個人類組織中330個源於Alu（高度重複序列）基因組的外顯子，鑑別出許多令人感興趣的表達和功能特性的外顯子，Alu是靈長類特異性的反轉錄轉座子，透過它們製造外顯子可能有助於形成靈長類的獨特特性。
另有證據表明，“垃圾DNA”可透過合成調節性RNA發揮功能。它們能被轉錄為小分子RNA，可以控制蛋白質表達，如RNA介導的基因沉默過程稱為RNA干擾，還能啟用或者抑制基因的表達，協助非常複雜的細胞分裂、分化等生理現象。
顧潮江介紹，若將這種方法用於醫學上，可使癌症基因沉默，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，美國北卡羅來納大學研究人員發現：一些“垃圾DNA”中的小片段遺傳序列告訴基因如何剪接，或提高或抑制剪接過程，從而改變基因組裝方式。
更為重要的是，“垃圾DNA”從多個方面影響人類生活，涉及免疫系統疾病、腫瘤發生、神經系統疾病及發育甚至長相等。
德國馬克斯·普朗克研究所、英國牛津大學等機構科學家合作發現，化療之後，骨髓中造血幹細胞會利用“垃圾DNA”轉錄產生RNA分子增強活化，產生新鮮細胞，促進血液再生。
研究人員還發現，隨著個人基因組測序人數迅速增加，解讀它們基因組中的突變、尤其是非編碼區突變時，最近在“垃圾DNA”區域中找到近百個乳腺癌與前列腺癌的潛在“導火索”，預示“垃圾DNA”可作為潛在癌症病源。還有研究人員表示，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，從而加快腫瘤生長速度。
與上述觀點不同的是，巴斯大學和劍橋大學的研究人員研究發現，位於基因間的“垃圾DNA”可以轉錄形成非編碼RNA，而這一過程可以阻斷細胞癌化。
此外，美國科研人員開發了一種新的生物資訊學方法，用於從測序資料中識別和確定從頭串聯重複序列突變（簡稱新生TR突變），並對患有ASD（孤獨症譜系障礙）的先證者和未患病手足中的新生TR突變進行全基因組特徵分析。發現在ASD先證者中全基因組範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，且預計在進化上更具危害性。
撥雲見霧更多謎團待解
近日，一篇刊登在國際雜誌Neuron上的研究報道稱，發現被認為是“垃圾DNA”的反轉錄轉座子LINE-1在精神分裂症患者的大腦中水平很高，且可以修飾與精神分裂症相關的基因的表達情況，因此，研究人員推測其可能是引發精神分裂症發生的主要原因。
同時，將這部分“垃圾DNA”置於引發精神分裂症的遺傳因子下研究，利用全基因組學分析，研究人員發現在精神分裂症患者中，LINE-1可以插入到與突觸功能相關的基因中，使其正常功能被破壞，故而認為該“垃圾DNA”或是引發精神分裂症的罪魁禍首。
顧潮江介紹，國外研究團隊在發育分子機制研究中，發現在發育期間，來自“垃圾DNA”轉錄的微RNA(microRNA， miRNA)在這種細胞與胚層分配過程中發揮著重要作用。悉尼雪梨百年研究所的研究人員透過新一代基因測序技術和複雜的計算機分析技術揭示，特定的白細胞如何使用非編碼的DNA來調節一系列控制形狀和功能的基因的活性。
十分有趣的是，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員發現，“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像開關或放大器一樣影響臉部基因的作用。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“增強子”的序列片段密不可分。
見一葉而知秋，撥雲見霧，面對“垃圾DNA”還有哪些疑問亟待解答？
顧潮江說，隨著後基因組時代到來，“垃圾DNA”解讀得益於測序技術的進步。第二、三代測序技術極大地提高測序通量，可以一次性完成從數十萬到數百萬的DNA分子測序，使得對一個物種的基因組和轉錄組深度測序變得方便易行，為“垃圾DNA”解讀提供了技術支撐。
目前，伴隨越來越多有功能的“垃圾DNA”被認識和鑑定，實際意義上的“垃圾DNA”將會越來越少。
顧潮江認為，今後或應將繼續深度分析大量重複序列（“垃圾DNA”）在以下十個方向中的功能，即DNA複製的調控，轉錄調節，為遺傳物質的程式性重排標記位點，影響染色體的正常摺疊和維持，控制染色體與核膜的相互作用，控制RNA加工、編輯和剪接，調製翻譯，調節胚胎髮育期，DNA修復和幫助對抗疾病。
顧潮江說，不久前，法國蒙彼利埃大學克里斯托弗·格魯納、德國吉森大學克里斯托弗·格里維爾丁等人在《基因組生物學與進化》雜誌發表論文稱，“垃圾DNA”的時代已經結束。與此同時，隨著生命科學不斷髮展，人們也逐漸意識到“垃圾DNA”不再垃圾。
“隨著技術更新和研究深入，‘垃圾DNA’中會產生越來越多的功能序列。”顧潮江堅定的表示。
