《自然》雜志2012年9月6日刊登了ENCODE項(xiàng)目的研究結(jié)果，第二天的《科學(xué)》雜志又刊 載了一篇報(bào)道稱(chēng)，應(yīng)該禁止使用“垃圾DNA”（junk DNA)這種說(shuō)法?？墒?，《美國(guó)科學(xué)院院 報(bào)》卻在2013年4月2日刊登了一篇批判ENCODE結(jié)果的文章。就這樣，科學(xué)界圍繞“垃圾 DNA”展開(kāi)的爭(zhēng)論仍在繼續(xù)。（圖片源自姜錫基）

個(gè)體內(nèi)存在很難從自然選擇角度說(shuō)明其存在合理性的DNA, 人們由此使用“垃圾”這一概念進(jìn)行表述，并沿用至今。

——杜利特·福特

我又想起了中學(xué)時(shí)代的課堂，物理老師說(shuō)“電流的方向和電子實(shí)際 運(yùn)動(dòng)的方向相反”令我倍感驚訝。將電子流動(dòng)的方向規(guī)定為電流的方向 即可，何必非要定為反方向而讓人混淆不清呢？這樣做的理由是什么？ 當(dāng)然，直到后來(lái)我才知道其原因。繼法國(guó)科學(xué)家安培將正電荷流動(dòng) 的方向定義為電流方向后，又過(guò)了近一個(gè)世紀(jì)，人們才發(fā)現(xiàn)電子?？?是，電子指的是負(fù)電荷，判斷電流方向時(shí)就有50%的幾率會(huì)搞錯(cuò)。當(dāng) 然，如果正電荷看成順時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)，或者說(shuō)負(fù)電荷沿逆時(shí)針?lè)较蛄?動(dòng)，都不會(huì)對(duì)等式有什么影響。

像這樣沒(méi)有深厚的知識(shí)背景就擅自命名某種現(xiàn)象的話，勢(shì)必會(huì)在 以后引發(fā)遺憾或者混亂。最近的生命科學(xué)界也有類(lèi)似事情發(fā)生，“垃圾 DNA”就屬于這種情況。

1972年在論文中首次出現(xiàn)

20世紀(jì)后半期，隨著基因分析技術(shù)的確立，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，很多 真核生物的基因中，真正的遺傳基因所占比例并不多。比如，人類(lèi)基因 比細(xì)菌基因約大1000倍，可是遺傳基因并沒(méi)有大1000倍，后來(lái)發(fā)現(xiàn)只大了10倍。

“垃圾DNA”這一術(shù)語(yǔ)是分子進(jìn)化學(xué)領(lǐng)域的巨匠一大野乾在1972 年發(fā)表的論文中首次使用的，這位日本人1928年出生于韓國(guó)，后來(lái)移 民美國(guó)。大野乾當(dāng)時(shí)創(chuàng)造該術(shù)語(yǔ)是為了表達(dá)哺乳動(dòng)物基因中沒(méi)有特別 功能的部分。然后，科學(xué)界著名人士萊斯利·奧杰爾和弗朗西斯·克里 克在1980年發(fā)表于《自然》雜志的評(píng)論論文中，以“垃圾DNA”為例 說(shuō)明了 “基因中存在自私的DNA序列，就好像對(duì)宿主的生命毫無(wú)害處 的寄生蟲(chóng)”，該術(shù)語(yǔ)因此而成名。換言之，我們的基因中有很多像寄生 蟲(chóng)一樣沒(méi)用的“垃圾DNA”。

“垃圾DNA”的起源有很多種，其中最主流的是植物遺傳學(xué)家芭 芭拉·麥克林托克20世紀(jì)40年代首次發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)座因子（transposable element)。研究發(fā)現(xiàn)，40%以上的人類(lèi)基因是轉(zhuǎn)座因子，另外，基因中鑲嵌的病毒序列-- 內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒（endogenous retrovirus)也超過(guò)8%，而這些序列的表達(dá)大部分都被抑制了。

這一事實(shí)隨著2000年人類(lèi)基因組計(jì)劃中基因草圖的發(fā)表而得到確 認(rèn)。基因中的遺傳基因就像大海中漂浮的島嶼或者沙漠中的綠洲，在 不斷反復(fù)的無(wú)意義的堿基序列中突然出現(xiàn)（它們大部分也處于名為內(nèi)含 子（intron)的無(wú)意義的序列插人而形成的支離破碎的狀態(tài)），令人欣喜。 當(dāng)時(shí)的輿論稱(chēng)，除去1.5%的遺傳基因（只計(jì)算包含遺傳信息的外顯子 (exon))外，剩下的98.5%的基因都是“垃圾DNA”。這種刺激性的表 達(dá)震撼了人們的神經(jīng)，而現(xiàn)在已經(jīng)成為人們熟悉的術(shù)語(yǔ)。

廣泛涉及遺傳基因的發(fā)現(xiàn)

可是2012年秋天，科學(xué)界掀起了針對(duì)“垃圾DNA”的軒然大波。 科學(xué)期刊《自然》9月6日大幅刊登了 ENCODE項(xiàng)目的研究結(jié)果，其 中最引人關(guān)注的就是“垃圾DNA”的再次發(fā)現(xiàn)。ENCODE是“DNA元 件百科全書(shū)”（Encyclopedia of DNA Elements)的簡(jiǎn)稱(chēng)，不僅分析遺傳 基因，而且分析形成基因的全部DNA。

根據(jù)該研究，人們發(fā)現(xiàn)此前被認(rèn)為毫無(wú)意義的堿基序列有相當(dāng)一部 分起到調(diào)節(jié)遺傳基因表達(dá)的作用，還會(huì)自動(dòng)形成RNA鏈。對(duì)從組織中 取得的140余種類(lèi)型的細(xì)胞進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，非遺傳基因區(qū)域的活動(dòng)會(huì) 隨著細(xì)胞的不同而不同，而且各區(qū)域有無(wú)活動(dòng)會(huì)對(duì)細(xì)胞特性產(chǎn)生影響。

研究人員認(rèn)為這一結(jié)果只不過(guò)是開(kāi)始，以后如果有更多資料，將有 助于更明確地揭示基因中被視為“垃圾”的非遺傳基因部分的存在原因。對(duì)于這一結(jié)果，學(xué)界的反應(yīng)也很強(qiáng)烈。美國(guó)霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究 所（Howard Hughes Medical Institute )的約瑟夫·艾克爾博士在當(dāng)時(shí)投 稿給《自然》雜志的文章中寫(xiě)道：“80%的基因具有與生化學(xué)功能相關(guān) 的因子（elements)，這一研究結(jié)果顛覆了既有的、廣為接受的觀點(diǎn)一 大部分人類(lèi)基因是‘垃圾DNA’?！币聋惿住づ四崴褂浾咴?月7日 的《科學(xué)》雜志介紹了這一研究結(jié)果，報(bào)道的題目給我留下了很深的印 象——《ENCODE項(xiàng)目為“垃圾DNA”寫(xiě)下悼詞》“ “ENCOCE Project Writes Eulogy For Junk DNA”）?！犊茖W(xué)》雜志最終將ENCOCE項(xiàng)目的研 究成果評(píng)選為2012年十大科學(xué)新聞之一。

近幾年有很多論文都介紹了“非編碼（non-coding)DNA”的令人 無(wú)法想象的功能，看到這些論文，雖然我能從中深切感受到基因是超乎 想象的復(fù)雜對(duì)象，但是看到人們對(duì)ENCODE研究結(jié)果的反應(yīng)，我又覺(jué) 得未免太小題大做了。當(dāng)然，從過(guò)去視為“垃圾”的區(qū)域中發(fā)現(xiàn)其具有 功能，即不僅對(duì)細(xì)胞，甚至對(duì)人類(lèi)生存都有幫助的部分，這是革命性的 發(fā)現(xiàn)。但即使如此，“基因中沒(méi)有無(wú)用的東西”這種解釋也很難讓人接 受，當(dāng)然也可能是因?yàn)槲覜](méi)能理解這些以眾多數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的論文吧。

我并不熱衷生命科學(xué)界的革命，有時(shí)甚至帶著片面的眼光看待，這 可能是源于我在2000年初期的研究生經(jīng)歷。如果完全一無(wú)所知，還有 可能全盤(pán)接受這種變化。但如果像我一樣對(duì)此略知一二，就會(huì)固守既有 的知識(shí)，不能接受新理論。我當(dāng)時(shí)正在進(jìn)行分子遺傳學(xué)研究，試圖發(fā)現(xiàn) 擬南芥（Arabidopsis thaliana)這種植物的特定遺傳基因的功能。擬南芥 很適合用作實(shí)驗(yàn)植物，因?yàn)槠渖L(zhǎng)周期短（根據(jù)光照和溫度條件不同， 生長(zhǎng)周期為一兩個(gè)月到三四個(gè)月），基因也很?。▋H1.2億個(gè)堿基對(duì)，所 以2000年作為首例植物基因被解讀出來(lái))。

當(dāng)時(shí)我經(jīng)常觀察擬南芥基因DB (基因組數(shù)據(jù)庫(kù)），有一天檢測(cè)遺傳 基因時(shí)，我突然想到：“如果研究的是人類(lèi)遺傳基因，畫(huà)面可能會(huì)大不一樣吧?！币?yàn)殡m然擬南芥基因中的遺傳基因是零星分布的，但人類(lèi)基因 的遺傳基因密度會(huì)更加稀疏。人類(lèi)的32億個(gè)堿基對(duì)中，遺傳基因只有 不到2.1萬(wàn)個(gè)，少于擬南芥的2.7萬(wàn)個(gè)。

我閱讀大量論文后才知道，水稻的基因大小為4億個(gè)堿基對(duì)，小麥 的基因大小為170億個(gè)堿基對(duì)，而其遺傳基因的個(gè)數(shù)卻只比擬南芥多一 點(diǎn)。換言之，非遺傳基因的DNA比例隨著物種的不同而有很大不同。 如果正如這次ENCODE的研究結(jié)果揭示的那樣，這些DNA大部分都 起某種作用的話，即使排除雙子葉植物擬南芥，那么同為單子葉植物的 禾本科的水稻和小麥中，基因的巨大差異又該如何解釋呢？

兩種植物間似乎并無(wú)多大差異，為什么小麥會(huì)需要那么多遺傳基因DNA呢？當(dāng)然，這一疑問(wèn)是以“垃圾DNA”并非“垃圾”為前提提 出的。對(duì)此，雖然可以認(rèn)為ENCODE的研究結(jié)果是對(duì)人類(lèi)基因的研究， 而小麥的龐大的“垃圾DNA”的確是“垃圾”，但這種解釋并不能讓我 心服口服。

ENCODE項(xiàng)目的解釋夸大其詞？

《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》2013年4月2日刊登了一篇很有意思的文章。 這是加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)生化學(xué)與分子生物學(xué)系的杜利特·福特教授 投寄的評(píng)論，文章題目像新聞報(bào)道那樣吸引眼球一《“垃圾DNA”是 無(wú)中生有嗎？對(duì) ENCODE 的批判》“ “ Is junk DNA bunk? A critique of ENCODE”）。我發(fā)現(xiàn)文章正好闡述的是過(guò)去半年時(shí)間內(nèi)我苦苦思索的內(nèi) 容，而且正是站在我的立場(chǎng)上敘述的！

文章稱(chēng)，很多生命科學(xué)家好像都認(rèn)為ENCODE的主張有些夸大 其詞。杜利特·福特教授認(rèn)為，以動(dòng)物為例進(jìn)行說(shuō)明時(shí)，認(rèn)為只有人 類(lèi)的“垃圾DNA”不是“垃圾”，這是一種“基因的人類(lèi)中心主義” (genomic anthropocentrism)。比如，肺魚(yú)的基因大小將近1300億個(gè)堿基 對(duì)，達(dá)到人類(lèi)的40倍，而同為魚(yú)類(lèi)的河豚的基因大小卻不到4億個(gè)堿 基對(duì)。也就是說(shuō)，如果給人類(lèi)的“垃圾DNA”賦予意義，那么也應(yīng)該 給這些生物的“垃圾DNA”也賦予意義，所以前面的說(shuō)法不能成立。

他承認(rèn)ENCODE的發(fā)現(xiàn)是驚人的，但同時(shí)認(rèn)為ENCODE的解釋是 對(duì)基因的諸多誤解和錯(cuò)誤概念引起的，并對(duì)此逐條進(jìn)行了反駁。比如， 不能因?yàn)檗D(zhuǎn)座因子或內(nèi)含子具有調(diào)節(jié)遺傳基因表達(dá)的部分，就說(shuō)轉(zhuǎn)座因 子或內(nèi)含子整體具有某種功能。再比如，“垃圾DNA”的一半以上是由 RNA轉(zhuǎn)錄而成的，這并不意味著其整體具有調(diào)節(jié)遺傳基因表達(dá)的某種 功能，而很有可能是噪音（noise )?！袄鳧NA”中的一部分在真核生物基因的進(jìn)化中起到很大作用，但大部分（特別是基因比較大的物種） 都是停滯不前的，是不能闡述其存在理由的“垃圾”。

《自然》雜志2013年6月6日刊登了食蟲(chóng)植物貍藻的基因解讀相關(guān) 的研究論文。雖然貍藻的基因比擬南芥小，但其遺傳基因的個(gè)數(shù)反而更 多，有2.85萬(wàn)個(gè)。這就意味著，貍藻的基因小并不是因?yàn)檫z傳基因少， 而是因?yàn)槠洹袄鳧NA”相對(duì)較少。

研究人員通過(guò)分析基因逆向跟蹤了貍藻的進(jìn)化，研究表明，貍藻經(jīng)歷了3次全基因組復(fù)制，從而變?yōu)槭扼w。即便如此基因也不會(huì)變 大，因?yàn)閺?fù)制的遺傳基因大多數(shù)都消失了，而且該過(guò)程中，部分“垃圾 DNA”也會(huì)消失。

研究人員在論文末尾得出了這樣的結(jié)論：“最近很多論文都強(qiáng)調(diào)動(dòng) 物等復(fù)雜個(gè)體內(nèi)非遺傳基因DNA的重要功能及作用，與此相比，顯花 植物所需基因似乎不需要那么多內(nèi)含子‘暗物質(zhì)’（darkmatter)中隱 藏的調(diào)節(jié)因子?！笨傊艺J(rèn)為完全摒棄“垃圾DNA”這種說(shuō)法為時(shí)尚早。

文章選自：《煮酒論科學(xué)》

出 版 社：人民郵電出版社

I S B N ：9787115390363