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我们细胞核中的DNA都有用吗?中:人类基因组测序和ENCODE项目 精选

已有 8853 次阅读 2012-12-25 11:23 |个人分类:生物学|系统分类:科普集锦|关键词:的,中,科学家,基因组,细胞核| 基因组, 科学家, 细胞核

续前文《我们细胞核中的DNA都有用吗?上:历史回顾》。

近二十年来,生物学界规模最大的两个科研项目,大概就是人类基因组测序和ENCODE项目了。这两个大项目产生了海量的生物学数据,不可避免地影响人们对包括垃圾DNA在内的很多基本生物学问题的思考。

人类基因组测序,研究清楚了人类基因组中的核苷酸组成和人类基因组中编码蛋白质和tRNA、rRNA等的基因序列。这些序列之和也不够人类基因组的1/20。当然,可能还有一部分序列参与基因表达的调控。但除了个别科学家外,多数人不相信人类基因组中那么多序列用于调控那么一点编码序列。基于这一点,垃圾DNA的观念深入人心。但应该指出的是,很多人接受垃圾DNA的观点是不情愿的,也不是基于自然选择的思考,而是根据人类基因组测序的结果产生的直觉。

人类基因组测序没有弄清楚基因是怎样调控的。其后的ENCODE项目就是要深入发掘人类基因组中所有的调控元件。研究结果发现,除了原来已知的mRNA、tRNA、rRNA外,人类基因组中还有大量的序列在转录着,有转录活性的DNA总共占了人类基因组的62%。除此之外,调控蛋白结合位点、DNase I敏感位点等基因表达活性的标志性特征序列也大量存在。加上这些序列,超过了人类基因组的80%。考虑到现在已经研究的人类细胞类型数量远小于人类实际细胞类型,很多细胞特异性基因表达调控有待发现,ENCODE项目的负责人Birney估计,剩余的20%也应该是转录或者参与调控的,人类基因组中100%的序列都应该是有功能的。ENCODE项目组在Nature发表的论文中,称人类基因组序列大部分都有“biochemical function”,同时发表在Nature和Science的评论文章就把biochemical省略了,直接说人类基因组中大部分序列是有用的,垃圾DNA的观念已经成为历史。

这些论文发表之后,很多分子生物学家心中可以说一块石头落了地。很乐观的期望是人类基因组中的遗传信息及其调控方式可以用一本巨大的百科全书来描述。大家喜欢清楚,习惯面对井井有条、便于研究操作的事物。同时,神创论和智能设计论者可以说是欢呼雀跃,进化是不完美的,创造和设计才是完美的,现在证明人类基因组没有任何垃圾,很完美,进化论的根基没了。他们的欢呼也就激起了进化生物学家的愤怒,估计如果没有宗教人士的参与,ENCODE项目作为一个纯科学问题,争论不会有这么激烈。Science在将ENCODE列入2012年科学界十大突破之一时,这样描述了批评人士的看法“But several scientists in the blogosphere called the coverage overhyped and blamed the journals and ENCODE leaders for overplaying the significance of the results ”。很遗憾,我们国家的网络防火墙把国际上的各大博客网站当成匈奴挡在长城之外了。我个人经会翻墙的网友帮助看了几篇博文。

科学家应该有社会责任,如果对ENCODE项目研究结果的overhype为宗教人士提供了攻击科学的工具,这确实不是一个简单的生物学问题了。我们就应该比一般的科学争论更加重视。

ENCODE项目overplaying的思路是:biochemical activity --> biochemical function --> biological function --> no junk。他们的大规模研究,发现了人类基因组中大部分序列都转录或者参与转录过程的调节、都有生物化学活性。但生化活性等于生化功能吗?他们认为毫无疑问,所以也就没有任何解释直接就把有生化活性的DNA说成是有生化功能了。生化功能,争议也还不太大,生化功能也就是可以参与生物化学反应。但进一步把生化功能等同于生物学功能,成了判定有没有垃圾DNA的依据就是overplaying了。有用没用、是否是垃圾DNA,应该看这些序列在基因组中出现或者从基因组中丢失是否对生物有益或有害。

首先说,并不一定是有用才转录,很多RNA的转录可能是随机偶然现象。更重要的是,很多分子生物学研究表明,细胞中抑制性转录(repressive transcription)很常见。抑制性转录就是以低水平的转录作为防止高水平有害转录的手段。其中的细节经过十来年的研究,已经比较清楚了(1)。另外,现在还发现了很多RNA虽然转录了,但会被细胞中的RNA质量监控机制(NMD)作为废物降解掉。因此,转录活性不能成为判断一段序列是否有用的依据。调控蛋白结合位点、DNase I敏感位点等基因表达活性的标志性特征相关的序列,也只能说明自身或者附近的序列有转录活性,不能成为它们有没有用的依据。它们可能只是对转录过程有用,但如果转录的产物是没用的,所以它们的作用也就没用了。关于这些问题更详细的讨论,请参见我们的评论性文章(2)。

下一篇博文中,我们讨论确定基因组中有用序列的其他手段:《我们细胞核中的DNA都有用吗?下:任重道远》。

1、感兴趣的网友可以用repressive transcription作为关键词,从SCIE等数据库中查找相关论文。
2、Niu DK and Jiang L (2013). Can ENCODE tell us how much junk DNA we carry in our genome? Biochemical and Biophysical Research Communications doi:10.1016/j.bbrc.2012.12.074.

http://blog.sciencenet.cn/blog-61772-646182.html

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