科學家揭開「垃圾」DNA的神秘角色！

生物學家們在很長一段時間裡都認為，既然幾乎所有具體的生理機能都要由蛋白質來完成，那麼不編碼蛋白質的DNA應該是沒有用的，可以稱為「垃圾DNA」；而且人類基因組項目發現人的基因組中僅有1.5%的序列是給蛋白質編碼的，其餘的98.5%的序列是以前認為的「垃圾」DNA。

此前研究人員進行了一項名為ENCODE的研究計劃，該計劃的一個主要目的就是去分析那些「垃圾」的功能，經過ENCODE合作項目的初步努力，如今科學家們發現80％的基因組都是有功能的。那麼此前被認為的「垃圾」DNA到底扮演著什麼樣的關鍵角色呢？本文中小編對此進行了盤點，與各位一起學習！

【1】科學家找到胰腺發育不全病因 源於「垃圾DNA」

最近，科學家首次利用一種新技術分析了以往被稱為「垃圾DNA」的全部基因組，以尋找某些遺傳病的成因。埃克塞特大學醫學院和倫敦帝國學院合作領導的一個研究小組發現，一種叫做胰腺發育不全的疾病正是由位於染色體隱蔽部位的調控基因變異造成的。相關論文發表在11月10日的《自然·遺傳學》雜誌上。

胰腺發育不全會導致嬰兒一出生就沒有胰腺。胰腺在調控血糖（葡萄糖）水平上起著至關重要的作用，因為胰島素由胰腺β-細胞合成並釋放，這種細胞還能產生幫助消化和吸收食物的酶。沒有胰腺的嬰兒會終生在糖尿病中度過，而且消化方面也有很多問題。

「垃圾DNA」也被稱為基因組中的「暗物質」，是DNA廣闊延伸的部分，它們負責確保體內基因在正確的時間、正確的地點、正確地「開關」。這些區域對人體生長發育影響深遠，人們只是剛開始研究它們。

利用來自全世界11個胰腺發育不全病人的樣本，研究小組結合「表觀基因組注釋」技術對人類胚胎幹細胞生成的胰腺前細胞進行了全基因組測序轉譯。他們在新發現的PTF1A（編碼胰腺—特殊轉錄因子1a）調控區發現了6個不同的變異，這種變異消除了增強子的活動，是獨立胰腺發育不全的最常見原因。

【2】垃圾DNA之爭：有生物活性不等於有功能

在人類基因組計劃（HGP）完成12年後，一項叫做Encode的人類基因組研究項目在2012年9月份一次性發表了其數十篇研究論文。領導這項研究的科學家們表示，Encode項目發現人類基因組中80%的序列是具有功能的。但是這一說法立刻就招到了一些生物學家的反對，他們認為從進化的角度來說，人類基因組中不可能有如此大部分真正發揮與人類健康相關的功能。

7個月後，這一爭論還沒有平息。一些學術期刊和無數的博客針對這個話題發表觀點。在4月8號，Ceurrent Biology雜誌發表了關於該話題的第二篇文章，在今年2月，Genome Biology and Evolution雜誌也發表了一篇罕見尖刻的奚落文章，將Encode項目與Apple Maps進行對比――iPhone 5內置的apple Maps並不好用――這篇文章引起了廣泛的關注。這一現象讓人不得不感到好奇，為什麼「功能」這個簡單的詞語能引起如此大的分歧呢？

Encode項目是由美國NIH的國家人類基因組研究所（National Human Genome Research Institute）贊助，目的是對在人類基因組項目中產生的數據進行分析處理。不同的基因編碼了各種特定蛋白質，完成了細胞中的大部分功能，但這僅僅是少部分的基因，對於基因組中大部分序列的作用，科學家們並不知道。

【3】PLoS Genetics：發現垃圾DNA對基因調控的作用

doi：10.1371/journal.pgen.1000225

科學家早已知道，有些「垃圾」DNA（重複性DNA片段）能夠進化成外顯子（exon），作為高等有機體內編碼蛋白基因的構成成分。美國科學家近日發現證據表明，大量來自垃圾DNA的外顯子在基因調控中發揮著作用。相關論文10月17日發表在《PloS遺傳學》（PLoS Genetics）上。

大約一半的人類DNA由重複性片段構成，其中包括轉座子（transposon），它能換位到基因組內的不同位置。反轉錄轉座子（retrotransposon）可被轉錄入RNA，之後被重整入基因組DNA。人類基因組中最常見的反轉錄轉座子是Alu序列，它擁有超過100萬個拷貝，佔據了大約10%的人類基因組。

論文高級作者、美國愛荷華大學醫學院的Yi Xing說：「Alu序列是新外顯子的主要來源。Alu是靈長類特異性的反轉錄轉座子，從它製造外顯子可能有助於形成靈長類的獨特特性，所以我們想要更好了解這一過程。」

研究人員使用了高密度外顯子微矩陣技術，這一技術擁有將近6百萬個探針，用來監測人類所有外顯子的表達模式。研究人員利用所得數據，分析了11個人類組織中330個來源於Alu的外顯子，鑒別出許多具有令人感興趣的表達和功能特性的外顯子。

【4】Science：「垃圾DNA」中發現潛在癌症病源

DOI： 10.1126/science.1235587

人類基因組中僅有1%到2%的是負責蛋白質編碼的基因，其餘非編碼區域早先被認為是毫無用處的「垃圾DNA」。但是，美、英等國研究人員最近在這個「垃圾」區域中找到近百個乳腺癌與前列腺癌的潛在「導火索」，顯示了研究「垃圾DNA」對了解癌症的重要性。

美國耶魯大學、英國韋爾科姆基金會桑格研究所等機構的研究人員10月3日在《科學》雜誌上報告說，隨著個人基因組測序的成本直線下降，進行測序的人數迅速增加，解讀他們基因組中的突變、尤其是非編碼區的突變，已成為當前醫學界面臨的挑戰。

研究人員利用大型國際科研合作項目「千人基因組項目」獲得的基因變異數據，結合另一個國際合作項目「DNA元素百科全書（ENCODE）」的信息，開發出一種新方法，在「垃圾DNA」中篩選可能導致癌症的突變，也就是癌症的潛在「導火索」。

【5】Neuron：科學家發現「垃圾」DNA或是引發精神分裂症的罪魁禍首

doi：10.1016/j.neuron.2013.10.053

反轉錄轉座子長被認為是「垃圾DNA」，但是近日一項刊登在國際雜誌Neuron上的研究報道中，來自東京大學等處的研究者稱，這種垃圾DNA或許在精神分裂症發病過程中扮演著重要角色；研究者在文中發現，一種名為LINE-1的反轉錄轉座子在精神分裂症患者的大腦中水平很高，而且其可以修飾和精神分裂症相關的基因的表達情況，因此研究者推測其可能是引發精神分裂症發生的主要原因。

反轉錄轉座子即為短的DNA序列，其可以沿著基因組不斷延伸擴張，一種名為長散在重複序列（Long Interspersed Nuclear Elements，LINE）的反轉錄轉座子在真核細胞基因組中佔據著很大部分，其被認為和許多疾病比如癌症等發生相關。

在成年個體中，LINE-1在大腦中的水平比在其它細胞中的水平高很多，然而其在神經障礙，尤其是精神分裂症中扮演的角色卻並不清楚。文章中研究者通過研究發現，LINE-1在精神分裂症患者的大腦中的拷貝數較高，研究者使用精神分裂症小鼠和獼猴模型，以及誘導多能性幹細胞暴露在環境風險因子下進行研究，同時也將其置於引發精神分裂症的遺傳因子下進行研究，利用全基因組學分析，研究者發現在精神分裂症患者中，LINE-1可以插入到和突觸功能相關的基因中，從而使其正常功能被破壞。

【6】Science：「垃圾DNA」決定人臉長相

DOI： 10.1126/science.1241006

有的人相貌堂堂，有的人看上去不盡如人意。美國研究人員的最新研究表明，人類基因組中的「垃圾DNA」，可能是每個人都長得與眾不同的最終決定因素。

所謂「垃圾DNA」，是指人類基因組中曾被認為毫無用處的部分，它們在基因組中所佔比例高達98%。但美國伯克利勞倫斯國家實驗所的研究人員10月24日在《科學》雜誌上報告說，他們發現「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。眼睛的大小、鼻子的挺拔、頭顱的形狀等可能都與這些被稱為「增強子」的序列片段密不可分。

研究負責人、遺傳學家阿克塞爾·菲澤爾在一份聲明中說：「人類基因組中可能有成千上萬個增強子，它們都在某種程度上影響臉型的形成，但我們尚不清楚這些增強子都在怎樣發揮作用。」

【7】Nat Commun：「垃圾」DNA顯神效——治療乳腺癌

doi：10.1038/ncomms10406

近日，發表在國際雜誌Nature Communications上的一項研究報告中，來自巴斯大學和劍橋大學的研究人員通過研究發現，位於基因間的垃圾DNA活在抑制癌症發生上扮演著重要角色；人類基因組中包含有大約3米長的DNA，這其中大約有2%的基因行駛著編碼蛋白的作用，2000年人類全基因組測序完成後，科學家們就對那剩餘的98%的DNA產生了特別濃厚的興趣。

近些年來研究者發現，許多非編碼DNA實際上都可以轉錄成為非編碼的RNA，然而非編碼的RNA到底在細胞中有沒有功能目前科學界存在不同的看法，其中一部分原因就是目前研究人員很難在不損傷DNA的情況下敲除非編碼的RNA，而這會引發一系列的脫靶效應及錯誤的結果。

文章中，研究人員發現，一系列不編碼蛋白的DNA可以轉錄形成非編碼RNA，而這一過程可以阻斷細胞癌化；Adele Murrell博士說道，機體中細胞的數量往往根據細胞的複製和替換而達到一種動態平衡的過程，有時候控制細胞生長的開關會卡在「開啟」的位置，從而引發癌症。隨著腫瘤生長癌細胞就會聚集，癌細胞就會開始脫離原始腫瘤，改變形狀並且通過血液轉移到機體其它組織中去，這就稱之為癌症轉移，這個過程需要整個基因網路的調控。

【8】Nature Medicine：垃圾DNA可促進癌細胞生長

doi：10.1038/nm.2129

據國外媒體5月2日報道，由英國和德國科學家組成的研究小組首次確認了垃圾DNA對於霍奇金淋巴瘤細胞等癌細胞生長的促進作用。而這一名為長末端重複序列（LTR）的垃圾DNA片段也可在其他種類的癌症中發揮作用。相關研究發布在近期出版的《自然·醫學》雜誌上。

英國利茲大學的康斯坦茲·波尼佛教授和德國柏林查理特大學的斯蒂芬·馬薩博士表示，研究人員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，從而加快腫瘤的生長速度。事實上，這一機理在其他與血液相關的癌症發展過程中同樣適用，這對於類似病症的診斷、預斷和治療均具有重要意義。

長末端重複序列是一種基因物質，其在人類基因組的「駐紮」歷史已逾百萬年。雖然長末端重複序列源自病毒且具備侵害性，但其在子宮孕育胚胎時，一般處於失活的狀態。如果垃圾DNA的失活過程不能正常運轉，長末端重複序列就會激活腫瘤基因。科學家此前在基於動物的研究中已提出了這一可能。

【9】Gene Dev：證實垃圾DNA促進胚胎髮育

doi： 10.1101/gad.200758.112

胚胎髮育是一種精心打造的複雜過程：任何事情只有在合適的時間合適的地點才能發揮作用。發育生物學家和細胞生物學家一直在揭示確定我們如何成為人類的分子線索。

美國斯坦福-伯納姆醫學研究所肌肉發育與再生項目主任和教授Mark Mercola博士解釋道，「首先，可能也是發育中最為重要的一步是將細胞分配到三個胚層---外胚層、中胚層和內胚層，其中這三個胚層產生體內所有的組織和器官。」

在當前一項新的研究中，Mercola博士和包括博士後研究員Alexandre Colas博士和Wesley McKeithan在內的研究團隊發現在發育期間，微RNA(microRNA， miRNA)在這種細胞與胚層分配過程中發揮著重要的作用。相關研究結果近期發表在Genes & Development期刊上。

【10】Cell：揭示「垃圾」DNA控制細胞發育的分子機制

doi：10.1016/j.cell.2013.06.052

近日，刊登在國際著名雜誌Cell上的一篇研究報告中，來自悉尼雪梨百年研究所（Sydney"s Centenary Institute）的研究人員通過研究發現，人類機體DNA中97%的垃圾DNA雖然並不編碼產生任何蛋白質的指令，可是其在控制細胞發育過程中也扮演著重要作用。

文中研究者揭示了一種以前未知的調節基因活性的分子機制，增加了我們對於細胞發育的了解，而且為開發新型靶向療法提供了思路。研究者使用新一代的基因測序技術和複雜的計算機分析技術揭示了，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。

研究者Rasko表示，我們的研究發現非常有意思，這也為我們開發治療多種疾病，包括癌症、白血病在內的很多疾病提供了幫助。信使RNA在翻譯蛋白質之前需要被進行一定的加工，一般情況下，非編碼的內含子需要被切割來產生功能性蛋白質的最後序列，許多內含子都包含有一些短的序列，俗稱為終止密碼子，其可以阻止蛋白質重新連接形成。

【11】Nat Struct Mol Biol ："垃圾DNA"的片段信息或可改變基因組裝方式

doi:10.1038/nsmb.2459

來自北卡羅來納大學醫學院的研究人員在一項新研究中闡明了我們的每個基因中，所謂的「垃圾」DNA（又稱暗物質）執行的一種重要的調控功能。新研究揭示：包含在暗物質中的片段信息有可能改變了基因的組裝方式。

研究的資深作者、北卡羅來納大學醫學院藥理學助理教授、Lineberger綜合癌症中心成員王澤峰（Zefeng Wang，音譯）博士說：「這些小的遺傳信息序列告訴基因如何剪接，或是提高或是抑制剪接過程。本研究為解析基因暗物質開啟了大門。它有助於我們更深入地了解突變或多態性影響基因功能的機制。」

來源：生物谷

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