彎曲的,黏著的,大名鼎鼎的DNA分子被加上了諸多高貴的比喻:它是生命之書,分子主管,是人類的生命藍圖。
然而,在那些關注整個分子,而並非侷限於排列在化學線圈上的單個基因的研究者看來,另外幾個簡單的比喻更好一些:DNA正像祖母的小閣樓,或是城鎮中小巧精悍的跳蚤市場。
另外一些人認為,人類的DNA可以被看作是一種微小的生態系統,一個不可見的居住地,其中充斥著互相競爭的遺傳物質碎片,時常表現得溫順,實際上它們是自私自利的寄生物,完全不顧它們所寄生的人類寄主細胞的各種需要。
在構成人體DNA的30億個化學單元或鹼基對之中,僅有3%~5%是作為編碼的有效區域而存在的:一些產生荷爾蒙、骨膠原、血紅蛋白、內腓肽和酶,以及所有其他的人體蛋白質的有效物質的基因指令。剩餘的DNA鹼基對有待於解釋,一句句的、一頁頁的、一卷卷的有關基因序列的說明乍看起來似乎是什麼也沒有說。沒有用的填充物、塑膠泡沫,以及所有的廢物都幾乎擠到了身體的每一個細胞核中。
正如科學家們所願意指出的那樣,一個人的垃圾是另外一個人的財富。他們漸漸發現大部分的非編碼DNA在根植於其中的基因的有效活動過程中發揮著本質性的作用。科學家們斷定:曾被認作是無用的,不屬於保持基因完好無損地代代相傳的正面力量的DNA,實際上是被高度完好地儲存了下來並被利用著。正像基因一樣,它們在經歷了幾萬年有時是幾百萬年的進化之後,其化學上的屬性還完好如初,這就意味著,曾經被認作是無用的“垃圾”對於擁有它們的器官來說是必不可少的。
在某些情況下,“垃圾”被看作是基因的微妙的促進者,它把基因的活動從低聲細語調節放大到大聲吶喊。在另一些情況下,當染色體被彎曲、被變作褶皺狀時,“垃圾”告知染色體它們的形狀應該是怎樣。
一定的“垃圾”區域可以充當DNA變化的儲存庫,允許DNA變得更加容易混合、突變並重新組合成新的模式,以此推動進化向前發展。它們如同閣樓裡的古董,今天看來是奇異的,有人撞見了,把它擦亮後,拖到樓下的居室之中,給所有人觀賞讚嘆。
而且,其他的一些非編碼區域是充當了急劇變化的緩衝器,它們如同掩護性的外衣—樣,吸收那些私自滲透進動物染色體的遺傳物質和病毒的影響。如果沒有這些額外的非編碼區域去吸收外來的打擊因素,病毒或外來的遺傳物序列(從染色體的一個部分跳到另一個部分,被稱為“運輸體”或“跳躍基因”的那些神秘的遺傳物質)可能會在重要基因的中間有少量的著陸,從而破壞重要基因的正常功能。
這項新的研究確證了“人類基因組工程”的倡導者們的主張的可行性,“人類基因組工程”是探索人類DNA全部構成的一個全聯邦的規劃。實用主義者們建議應該集中研究那些包含5萬~10萬基因的正常基因區域,而那些沉迷於“垃圾”基因的人們則堅持說所有的30億基因塊都應該得到重視。他們設想說,很多人類進化的有趣的真知灼見將會從研究基因間及基因周圍的大量物質的工作中得來。
哈佛大學的一位人類基因學理論家沃爾特·吉爾伯特博士說:“我不相信DNA是垃圾的說法,我一直認為所有的資訊都包含在編碼區之內的觀點是淺見的,這反應了蛋白質化學家對待DNA的偏見。”他補充說,編碼區可能產生化學家們所重視的蛋白質,但是,真正的生物學家們知道,對於這些蛋白質的大部分的精密控制都是在幕後發生的,存在於非編碼的垃圾區域內。
在發表於《國家自然科學院學報》的文章中,羅伊·布里頓(加利福尼亞技術學院博士,26年前,他首次描述了“垃圾”DNA)說:有一些我們最熟知的靈長動物的DNA垃圾有作為分子嚮導的存在的理由。這些序列,被稱作“阿魯序列”(Alu sequences),它們是短小的,重複性的,每個大約有280個DNA鹼基對,它們廣泛地分佈在包括人類在內的所有靈長類動物的染色體之中。它們長期以來被看作是原始時代遺傳事件的無用的剩餘物,像病毒一樣的DNA碎片嵌入到了南非古猿的染色體當中,並且由於它們向來無害而從未被清除出去。按這種說法,“阿魯序列”一直是很懶散地存在著,經過數萬年左右的緩慢的、溫和的、複雜的複製過程,便成了我們今天所見到的DNA。
然而,布里頓博士認為,無論它的起源是什麼,“阿魯序列”一直以來被靈長動物的寄主選派來履行職責,可能是充當著它附近基因的微妙的調節器。他說“阿魯序列”是如此完好地儲存下來,以致於我們不能把它解釋成為毫無用處的流浪漢。而且,“阿魯序列”的某些被儲存的部分,正如有人預測的那樣,可能是為那些敲動基因或提升基因的蛋白質提供了庇護場所。
布里頓博士在一次電話訪談錄中說:如果說那些典型的“垃圾”是處在選擇的壓力之下並可能具有某些功能,下這種結論似乎為時過早。但是我接受一般人的觀點,如果某種東西普遍地存在,它會被利用起來的。
在《自然基因》雜誌中,英國哥倫比亞維多利亞大學的本·F·庫卜博士和美國西雅圖華盛頓大學的萊羅依·胡德博士說,他們比較過人類的大塊的DNA和相應的老鼠的DNA。他們研究了負責生產身體T細胞接受體(免疫系統的關鍵部分)的基因的10萬個基因鹼基對。他們比較了那些真正控制接受體構成的序列的編碼部分,也比較了其中間的部分,即所謂的基因內區(內含子),這些基因內區是在產生一種蛋白質(如許許多多的化學ubs和wells)的複雜過程中被編制出來的。
令他們十分吃驚的是,他們證實了一種對於動物的免疫系統十分重要的基因的推測:不僅人與老鼠對於接受體所發出的命令極其相似,而且二者中被認為是廢物的基因內區也很相似。這些基因內區卻正是在6000萬年來的人與齧齒動物區分開來的進化過程中四處遊移並隨意變化的序列部分。既然如此,那我們為什麼還要不厭其煩地研究對於接受體最後功能可能毫無用處的那些粗笨的遺傳騷擾呢?
庫卜博士說:“發現這種遺傳物質時,我們不得不思考,基因內區參與了染色體的組織結構,或某些常規的功能。‘垃圾’一詞對我來說,就是‘我不知道’的委婉說法。”
可是庫卜又說,人與齧齒動物在其他一些基因內區和非編碼區域方面都存在著很大差別,這似乎表明在某些情況下,這種遺傳是不必要的。但事實正相反:這些區域可能是發生變異和進化的場所,是一個安全的試驗基地,在這裡,可能會產生新的遺傳資訊而並不破壞現有的基因。最後,這些變化可能會透過靈敏的染色體的混合作用而整合到動物的基因編碼區之內,而且可能會有一種新的蛋白質產生。
馬里蘭州羅克維爾市基因組研究所的J·克瑞格·萬特博士說:“我的觀點是,‘垃圾’DNA在進化與重組的過程中是絕對必要的。”
萬特博士指出,那些把“垃圾”DNA長期地忽略掉的人們有充分的理由。畢竟,一些生物沒有這些“垃圾”,也是功能完好的。天花病毒,大腸桿菌和其他微生物的基因都是一個擠著一個,中間並沒有“垃圾”或基因內區。甚至有幾種高等生物,如河豚,就只有很少的非編碼DNA。英國劍橋的醫療研究委員會的西尼·布熱納博士建議說,研究河豚的基因組是理解所有高等動物染色體的一個捷徑。
然而,正如布里頓和其他人所解釋的,絕大部分的複雜生物有複雜的基因組,也有很多的非基因序列。兩種型別的序列:基因與非基因,通常很容易被區分開。基因在它們的序列裡往往是豐富多樣的;也就是說,單個的G、T、A、C鹼基對是在相當複雜的組合中被編寫出來的。與此相反,垃圾的序列經常是更簡單,更多餘的,是由一兩個重複無數次的字母組成的。但是,這僅僅是一個一般的規律,科學家們經常被一種觀念誤導,他們僅僅是因為一種基因顯得單一,就認定它是垃圾。同樣地,一些非編碼區也經常呈現出相當的複雜性。
科學家們也已經發現,存在著一種高階基因組的各種型別所遵循的模式。大部分哺乳動物,無論是人、田鼠、貓,還是鼴鼠等,其基因組有大約30億個鹼基對的長度,這就說明,“垃圾”和基因在哺乳動物的漫長的進化過程中,是處在某種奇怪的均衡狀態中的。而且,由於完全不清楚的原因,植物的基因組經常是比哺乳動物的要更長。例如,小麥的DNA大約有160億個鹼基對的長度,而野百合花卻大約有1000億個的長度;大部分“垃圾”DNA是冗長的、非編碼的單一形態。
吉爾伯特博士指出,一些微生物,如天花病毒和細菌,有一些微小的,整齊的並不必要的基因組。它們迅速地繁殖,卻不能引發與立即複製相關的任何活動。但是,高等動物的生命策略和複製策略都不僅僅是每20秒發生一次雙裂變那樣簡單,它們能提供更復雜、更高階的基因組並且能為漫長而曲折的進化過程做出貢獻。
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彎曲的,黏著的,大名鼎鼎的DNA分子被加上了諸多高貴的比喻:它是生命之書,分子主管,是人類的生命藍圖。
然而,在那些關注整個分子,而並非侷限於排列在化學線圈上的單個基因的研究者看來,另外幾個簡單的比喻更好一些:DNA正像祖母的小閣樓,或是城鎮中小巧精悍的跳蚤市場。
另外一些人認為,人類的DNA可以被看作是一種微小的生態系統,一個不可見的居住地,其中充斥著互相競爭的遺傳物質碎片,時常表現得溫順,實際上它們是自私自利的寄生物,完全不顧它們所寄生的人類寄主細胞的各種需要。
在構成人體DNA的30億個化學單元或鹼基對之中,僅有3%~5%是作為編碼的有效區域而存在的:一些產生荷爾蒙、骨膠原、血紅蛋白、內腓肽和酶,以及所有其他的人體蛋白質的有效物質的基因指令。剩餘的DNA鹼基對有待於解釋,一句句的、一頁頁的、一卷卷的有關基因序列的說明乍看起來似乎是什麼也沒有說。沒有用的填充物、塑膠泡沫,以及所有的廢物都幾乎擠到了身體的每一個細胞核中。
正如科學家們所願意指出的那樣,一個人的垃圾是另外一個人的財富。他們漸漸發現大部分的非編碼DNA在根植於其中的基因的有效活動過程中發揮著本質性的作用。科學家們斷定:曾被認作是無用的,不屬於保持基因完好無損地代代相傳的正面力量的DNA,實際上是被高度完好地儲存了下來並被利用著。正像基因一樣,它們在經歷了幾萬年有時是幾百萬年的進化之後,其化學上的屬性還完好如初,這就意味著,曾經被認作是無用的“垃圾”對於擁有它們的器官來說是必不可少的。
在某些情況下,“垃圾”被看作是基因的微妙的促進者,它把基因的活動從低聲細語調節放大到大聲吶喊。在另一些情況下,當染色體被彎曲、被變作褶皺狀時,“垃圾”告知染色體它們的形狀應該是怎樣。
一定的“垃圾”區域可以充當DNA變化的儲存庫,允許DNA變得更加容易混合、突變並重新組合成新的模式,以此推動進化向前發展。它們如同閣樓裡的古董,今天看來是奇異的,有人撞見了,把它擦亮後,拖到樓下的居室之中,給所有人觀賞讚嘆。
而且,其他的一些非編碼區域是充當了急劇變化的緩衝器,它們如同掩護性的外衣—樣,吸收那些私自滲透進動物染色體的遺傳物質和病毒的影響。如果沒有這些額外的非編碼區域去吸收外來的打擊因素,病毒或外來的遺傳物序列(從染色體的一個部分跳到另一個部分,被稱為“運輸體”或“跳躍基因”的那些神秘的遺傳物質)可能會在重要基因的中間有少量的著陸,從而破壞重要基因的正常功能。
這項新的研究確證了“人類基因組工程”的倡導者們的主張的可行性,“人類基因組工程”是探索人類DNA全部構成的一個全聯邦的規劃。實用主義者們建議應該集中研究那些包含5萬~10萬基因的正常基因區域,而那些沉迷於“垃圾”基因的人們則堅持說所有的30億基因塊都應該得到重視。他們設想說,很多人類進化的有趣的真知灼見將會從研究基因間及基因周圍的大量物質的工作中得來。
哈佛大學的一位人類基因學理論家沃爾特·吉爾伯特博士說:“我不相信DNA是垃圾的說法,我一直認為所有的資訊都包含在編碼區之內的觀點是淺見的,這反應了蛋白質化學家對待DNA的偏見。”他補充說,編碼區可能產生化學家們所重視的蛋白質,但是,真正的生物學家們知道,對於這些蛋白質的大部分的精密控制都是在幕後發生的,存在於非編碼的垃圾區域內。
在發表於《國家自然科學院學報》的文章中,羅伊·布里頓(加利福尼亞技術學院博士,26年前,他首次描述了“垃圾”DNA)說:有一些我們最熟知的靈長動物的DNA垃圾有作為分子嚮導的存在的理由。這些序列,被稱作“阿魯序列”(Alu sequences),它們是短小的,重複性的,每個大約有280個DNA鹼基對,它們廣泛地分佈在包括人類在內的所有靈長類動物的染色體之中。它們長期以來被看作是原始時代遺傳事件的無用的剩餘物,像病毒一樣的DNA碎片嵌入到了南非古猿的染色體當中,並且由於它們向來無害而從未被清除出去。按這種說法,“阿魯序列”一直是很懶散地存在著,經過數萬年左右的緩慢的、溫和的、複雜的複製過程,便成了我們今天所見到的DNA。
然而,布里頓博士認為,無論它的起源是什麼,“阿魯序列”一直以來被靈長動物的寄主選派來履行職責,可能是充當著它附近基因的微妙的調節器。他說“阿魯序列”是如此完好地儲存下來,以致於我們不能把它解釋成為毫無用處的流浪漢。而且,“阿魯序列”的某些被儲存的部分,正如有人預測的那樣,可能是為那些敲動基因或提升基因的蛋白質提供了庇護場所。
布里頓博士在一次電話訪談錄中說:如果說那些典型的“垃圾”是處在選擇的壓力之下並可能具有某些功能,下這種結論似乎為時過早。但是我接受一般人的觀點,如果某種東西普遍地存在,它會被利用起來的。
在《自然基因》雜誌中,英國哥倫比亞維多利亞大學的本·F·庫卜博士和美國西雅圖華盛頓大學的萊羅依·胡德博士說,他們比較過人類的大塊的DNA和相應的老鼠的DNA。他們研究了負責生產身體T細胞接受體(免疫系統的關鍵部分)的基因的10萬個基因鹼基對。他們比較了那些真正控制接受體構成的序列的編碼部分,也比較了其中間的部分,即所謂的基因內區(內含子),這些基因內區是在產生一種蛋白質(如許許多多的化學ubs和wells)的複雜過程中被編制出來的。
令他們十分吃驚的是,他們證實了一種對於動物的免疫系統十分重要的基因的推測:不僅人與老鼠對於接受體所發出的命令極其相似,而且二者中被認為是廢物的基因內區也很相似。這些基因內區卻正是在6000萬年來的人與齧齒動物區分開來的進化過程中四處遊移並隨意變化的序列部分。既然如此,那我們為什麼還要不厭其煩地研究對於接受體最後功能可能毫無用處的那些粗笨的遺傳騷擾呢?
庫卜博士說:“發現這種遺傳物質時,我們不得不思考,基因內區參與了染色體的組織結構,或某些常規的功能。‘垃圾’一詞對我來說,就是‘我不知道’的委婉說法。”
可是庫卜又說,人與齧齒動物在其他一些基因內區和非編碼區域方面都存在著很大差別,這似乎表明在某些情況下,這種遺傳是不必要的。但事實正相反:這些區域可能是發生變異和進化的場所,是一個安全的試驗基地,在這裡,可能會產生新的遺傳資訊而並不破壞現有的基因。最後,這些變化可能會透過靈敏的染色體的混合作用而整合到動物的基因編碼區之內,而且可能會有一種新的蛋白質產生。
馬里蘭州羅克維爾市基因組研究所的J·克瑞格·萬特博士說:“我的觀點是,‘垃圾’DNA在進化與重組的過程中是絕對必要的。”
萬特博士指出,那些把“垃圾”DNA長期地忽略掉的人們有充分的理由。畢竟,一些生物沒有這些“垃圾”,也是功能完好的。天花病毒,大腸桿菌和其他微生物的基因都是一個擠著一個,中間並沒有“垃圾”或基因內區。甚至有幾種高等生物,如河豚,就只有很少的非編碼DNA。英國劍橋的醫療研究委員會的西尼·布熱納博士建議說,研究河豚的基因組是理解所有高等動物染色體的一個捷徑。
然而,正如布里頓和其他人所解釋的,絕大部分的複雜生物有複雜的基因組,也有很多的非基因序列。兩種型別的序列:基因與非基因,通常很容易被區分開。基因在它們的序列裡往往是豐富多樣的;也就是說,單個的G、T、A、C鹼基對是在相當複雜的組合中被編寫出來的。與此相反,垃圾的序列經常是更簡單,更多餘的,是由一兩個重複無數次的字母組成的。但是,這僅僅是一個一般的規律,科學家們經常被一種觀念誤導,他們僅僅是因為一種基因顯得單一,就認定它是垃圾。同樣地,一些非編碼區也經常呈現出相當的複雜性。
科學家們也已經發現,存在著一種高階基因組的各種型別所遵循的模式。大部分哺乳動物,無論是人、田鼠、貓,還是鼴鼠等,其基因組有大約30億個鹼基對的長度,這就說明,“垃圾”和基因在哺乳動物的漫長的進化過程中,是處在某種奇怪的均衡狀態中的。而且,由於完全不清楚的原因,植物的基因組經常是比哺乳動物的要更長。例如,小麥的DNA大約有160億個鹼基對的長度,而野百合花卻大約有1000億個的長度;大部分“垃圾”DNA是冗長的、非編碼的單一形態。
吉爾伯特博士指出,一些微生物,如天花病毒和細菌,有一些微小的,整齊的並不必要的基因組。它們迅速地繁殖,卻不能引發與立即複製相關的任何活動。但是,高等動物的生命策略和複製策略都不僅僅是每20秒發生一次雙裂變那樣簡單,它們能提供更復雜、更高階的基因組並且能為漫長而曲折的進化過程做出貢獻。
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