人体中98.5%的“垃圾DNA”到底有什么用？
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生物学家们在很长一段时间里都认为，既然几乎所有具体的生理机能都要由蛋白质来完成，那么不编码蛋白质的DNA应该是没有用的，可以称为“垃圾DNA”；而且人类基因组项目发现人的基因组中仅有1.5%的序列是给蛋白质编码的，其余的98.5%的序列是以前认为的“垃圾”DNA。
此前研究人员进行了一项名为ENCODE的研究计划，该计划的一个主要目的就是去分析那些“垃圾”的功能，经过ENCODE合作项目的初步努力，如今科学家们发现80％的基因组都是有功能的。那么此前被认为的“垃圾”DNA到底扮演着什么样的关键角色呢？本文中小编对此进行了盘点，与各位一起学习！
【1】科学家找到胰腺发育不全病因 源于“垃圾DNA”
最近，科学家首次利用一种新技术分析了以往被称为“垃圾DNA”的全部基因组，以寻找某些遗传病的成因。埃克塞特大学医学院和伦敦帝国学院合作领导的一个研究小组发现，一种叫做胰腺发育不全的疾病正是由位于染色体隐蔽部位的调控基因变异造成的。相关论文发表在11月10日的《自然·遗传学》杂志上。
胰腺发育不全会导致婴儿一出生就没有胰腺。胰腺在调控血糖（葡萄糖）水平上起着至关重要的作用，因为胰岛素由胰腺β-细胞合成并释放，这种细胞还能产生帮助消化和吸收食物的酶。没有胰腺的婴儿会终生在糖尿病中度过，而且消化方面也有很多问题。
“垃圾DNA”也被称为基因组中的“暗物质”，是DNA广阔延伸的部分，它们负责确保体内基因在正确的时间、正确的地点、正确地“开关”。这些区域对人体生长发育影响深远，人们只是刚开始研究它们。
利用来自全世界11个胰腺发育不全病人的样本，研究小组结合“表观基因组注释”技术对人类胚胎干细胞生成的胰腺前细胞进行了全基因组测序转译。他们在新发现的PTF1A（编码胰腺—特殊转录因子1a）调控区发现了6个不同的变异，这种变异消除了增强子的活动，是独立胰腺发育不全的最常见原因。
【2】垃圾DNA之争：有生物活性不等于有功能
在人类基因组计划（HGP）完成12年后，一项叫做Encode的人类基因组研究项目在2012年9月份一次性发表了其数十篇研究论文。领导这项研究的科学家们表示，Encode项目发现人类基因组中80%的序列是具有功能的。但是这一说法立刻就招到了一些生物学家的反对，他们认为从进化的角度来说，人类基因组中不可能有如此大部分真正发挥与人类健康相关的功能。
7个月后，这一争论还没有平息。一些学术期刊和无数的博客针对这个话题发表观点。在4月8号，Ceurrent Biology杂志发表了关于该话题的第二篇文章，在今年2月，Genome Biology and Evolution杂志也发表了一篇罕见尖刻的奚落文章，将Encode项目与Apple Maps进行对比――iPhone 5内置的apple Maps并不好用――这篇文章引起了广泛的关注。这一现象让人不得不感到好奇，为什么“功能”这个简单的词语能引起如此大的分歧呢？
Encode项目是由美国NIH的国家人类基因组研究所（National Human Genome Research Institute）赞助，目的是对在人类基因组项目中产生的数据进行分析处理。不同的基因编码了各种特定蛋白质，完成了细胞中的大部分功能，但这仅仅是少部分的基因，对于基因组中大部分序列的作用，科学家们并不知道。
【3】PLoS Genetics：发现垃圾DNA对基因调控的作用
doi：10.1371/journal.pgen.1000225
科学家早已知道，有些“垃圾”DNA（重复性DNA片段）能够进化成外显子（exon），作为高等有机体内编码蛋白基因的构成成分。美国科学家近日发现证据表明，大量来自垃圾DNA的外显子在基因调控中发挥着作用。相关论文10月17日发表在《PloS遗传学》（PLoS Genetics）上。
大约一半的人类DNA由重复性片段构成，其中包括转座子（transposon），它能换位到基因组内的不同位置。反转录转座子（retrotransposon）可被转录入RNA，之后被重整入基因组DNA。人类基因组中最常见的反转录转座子是Alu序列，它拥有超过100万个拷贝，占据了大约10%的人类基因组。
论文高级作者、美国爱荷华大学医学院的Yi Xing说：“Alu序列是新外显子的主要来源。Alu是灵长类特异性的反转录转座子，从它制造外显子可能有助于形成灵长类的独特特性，所以我们想要更好了解这一过程。”
研究人员使用了高密度外显子微矩阵技术，这一技术拥有将近6百万个探针，用来监测人类所有外显子的表达模式。研究人员利用所得数据，分析了11个人类组织中330个来源于Alu的外显子，鉴别出许多具有令人感兴趣的表达和功能特性的外显子。
【4】Science：“垃圾DNA”中发现潜在癌症病源
DOI：10.1126/science.1235587
人类基因组中仅有1%到2%的是负责蛋白质编码的基因，其余非编码区域早先被认为是毫无用处的“垃圾DNA”。但是，美、英等国研究人员最近在这个“垃圾”区域中找到近百个乳腺癌与前列腺癌的潜在“导火索”，显示了研究“垃圾DNA”对了解癌症的重要性。
美国耶鲁大学、英国韦尔科姆基金会桑格研究所等机构的研究人员10月3日在《科学》杂志上报告说，随着个人基因组测序的成本直线下降，进行测序的人数迅速增加，解读他们基因组中的突变、尤其是非编码区的突变，已成为当前医学界面临的挑战。
研究人员利用大型国际科研合作项目“千人基因组项目”获得的基因变异数据，结合另一个国际合作项目“DNA元素百科全书（ENCODE）”的信息，开发出一种新方法，在“垃圾DNA”中筛选可能导致癌症的突变，也就是癌症的潜在“导火索”。
【5】Neuron：科学家发现“垃圾”DNA或是引发精神分裂症的罪魁祸首
doi：10.1016/j.neuron.2013.10.053
反转录转座子长被认为是“垃圾DNA”，但是近日一项刊登在国际杂志Neuron上的研究报道中，来自东京大学等处的研究者称，这种垃圾DNA或许在精神分裂症发病过程中扮演着重要角色；研究者在文中发现，一种名为LINE-1的反转录转座子在精神分裂症患者的大脑中水平很高，而且其可以修饰和精神分裂症相关的基因的表达情况，因此研究者推测其可能是引发精神分裂症发生的主要原因。
反转录转座子即为短的DNA序列，其可以沿着基因组不断延伸扩张，一种名为长散在重复序列（Long Interspersed Nuclear Elements，LINE）的反转录转座子在真核细胞基因组中占据着很大部分，其被认为和许多疾病比如癌症等发生相关。
在成年个体中，LINE-1在大脑中的水平比在其它细胞中的水平高很多，然而其在神经障碍，尤其是精神分裂症中扮演的角色却并不清楚。文章中研究者通过研究发现，LINE-1在精神分裂症患者的大脑中的拷贝数较高，研究者使用精神分裂症小鼠和猕猴模型，以及诱导多能性干细胞暴露在环境风险因子下进行研究，同时也将其置于引发精神分裂症的遗传因子下进行研究，利用全基因组学分析，研究者发现在精神分裂症患者中，LINE-1可以插入到和突触功能相关的基因中，从而使其正常功能被破坏。
【6】Science：“垃圾DNA”决定人脸长相
DOI：10.1126/science.1241006
有的人相貌堂堂，有的人看上去不尽如人意。美国研究人员的最新研究表明，人类基因组中的“垃圾DNA”，可能是每个人都长得与众不同的最终决定因素。
所谓“垃圾DNA”，是指人类基因组中曾被认为毫无用处的部分，它们在基因组中所占比例高达98%。但美国伯克利劳伦斯国家实验所的研究人员10月24日在《科学》杂志上报告说，他们发现“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像开关或放大器一样影响脸部基因的作用。眼睛的大小、鼻子的挺拔、头颅的形状等可能都与这些被称为“增强子”的序列片段密不可分。
研究负责人、遗传学家阿克塞尔·菲泽尔在一份声明中说：“人类基因组中可能有成千上万个增强子，它们都在某种程度上影响脸型的形成，但我们尚不清楚这些增强子都在怎样发挥作用。”
【7】Nat Commun：“垃圾”DNA显神效——治疗乳腺癌
doi：10.1038/ncomms10406
近日，发表在国际杂志Nature Communications上的一项研究报告中，来自巴斯大学和剑桥大学的研究人员通过研究发现，位于基因间的垃圾DNA活在抑制癌症发生上扮演着重要角色；人类基因组中包含有大约3米长的DNA，这其中大约有2%的基因行驶着编码蛋白的作用，2000年人类全基因组测序完成后，科学家们就对那剩余的98%的DNA产生了特别浓厚的兴趣。
近些年来研究者发现，许多非编码DNA实际上都可以转录成为非编码的RNA，然而非编码的RNA到底在细胞中有没有功能目前科学界存在不同的看法，其中一部分原因就是目前研究人员很难在不损伤DNA的情况下敲除非编码的RNA，而这会引发一系列的脱靶效应及错误的结果。
文章中，研究人员发现，一系列不编码蛋白的DNA可以转录形成非编码RNA，而这一过程可以阻断细胞癌化；Adele Murrell博士说道，机体中细胞的数量往往根据细胞的复制和替换而达到一种动态平衡的过程，有时候控制细胞生长的开关会卡在“开启”的位置，从而引发癌症。随着肿瘤生长癌细胞就会聚集，癌细胞就会开始脱离原始肿瘤，改变形状并且通过血液转移到机体其它组织中去，这就称之为癌症转移，这个过程需要整个基因网络的调控。
【8】Nature Medicine：垃圾DNA可促进癌细胞生长
doi：10.1038/nm.2129
据国外媒体5月2日报道，由英国和德国科学家组成的研究小组首次确认了垃圾DNA对于霍奇金淋巴瘤细胞等癌细胞生长的促进作用。而这一名为长末端重复序列（LTR）的垃圾DNA片段也可在其他种类的癌症中发挥作用。相关研究发布在近期出版的《自然·医学》杂志上。
英国利兹大学的康斯坦兹·波尼佛教授和德国柏林查理特大学的斯蒂芬·马萨博士表示，研究人员已在霍奇金淋巴瘤内证明了垃圾DNA在何种情况下能够保持活性，从而加快肿瘤的生长速度。事实上，这一机理在其他与血液相关的癌症发展过程中同样适用，这对于类似病症的诊断、预断和治疗均具有重要意义。
长末端重复序列是一种基因物质，其在人类基因组的“驻扎”历史已逾百万年。虽然长末端重复序列源自病毒且具备侵害性，但其在子宫孕育胚胎时，一般处于失活的状态。如果垃圾DNA的失活过程不能正常运转，长末端重复序列就会激活肿瘤基因。科学家此前在基于动物的研究中已提出了这一可能。
【9】Gene Dev：证实垃圾DNA促进胚胎发育
doi：10.1101/gad.200758.112
胚胎发育是一种精心打造的复杂过程：任何事情只有在合适的时间合适的地点才能发挥作用。发育生物学家和细胞生物学家一直在揭示确定我们如何成为人类的分子线索。
美国斯坦福-伯纳姆医学研究所肌肉发育与再生项目主任和教授Mark Mercola博士解释道，“首先，可能也是发育中最为重要的一步是将细胞分配到三个胚层---外胚层、中胚层和内胚层，其中这三个胚层产生体内所有的组织和器官。”
在当前一项新的研究中，Mercola博士和包括博士后研究员Alexandre Colas博士和Wesley McKeithan在内的研究团队发现在发育期间，微RNA(microRNA， miRNA)在这种细胞与胚层分配过程中发挥着重要的作用。相关研究结果近期发表在Genes & Development期刊上。
【10】Cell：揭示“垃圾”DNA控制细胞发育的分子机制
doi：10.1016/j.cell.2013.06.052
近日，刊登在国际著名杂志Cell上的一篇研究报告中，来自悉尼雪梨百年研究所（Sydney's Centenary Institute）的研究人员通过研究发现，人类机体DNA中97%的垃圾DNA虽然并不编码产生任何蛋白质的指令，可是其在控制细胞发育过程中也扮演着重要作用。
文中研究者揭示了一种以前未知的调节基因活性的分子机制，增加了我们对于细胞发育的了解，而且为开发新型靶向疗法提供了思路。研究者使用新一代的基因测序技术和复杂的计算机分析技术揭示了，特定的白细胞如何使用非编码的DNA来调节一系列控制形状和功能的基因的活性。
研究者Rasko表示，我们的研究发现非常有意思，这也为我们开发治疗多种疾病，包括癌症、白血病在内的很多疾病提供了帮助。信使RNA在翻译蛋白质之前需要被进行一定的加工，一般情况下，非编码的内含子需要被切割来产生功能性蛋白质的最后序列，许多内含子都包含有一些短的序列，俗称为终止密码子，其可以阻止蛋白质重新连接形成。
【11】Nat Struct Mol Biol ："垃圾DNA"的片段信息或可改变基因组装方式
doi：10.1038/nsmb.2459
来自北卡罗来纳大学医学院的研究人员在一项新研究中阐明了我们的每个基因中，所谓的“垃圾”DNA（又称暗物质）执行的一种重要的调控功能。新研究揭示：包含在暗物质中的片段信息有可能改变了基因的组装方式。
研究的资深作者、北卡罗来纳大学医学院药理学助理教授、Lineberger综合癌症中心成员王泽峰（Zefeng Wang，音译）博士说：“这些小的遗传信息序列告诉基因如何剪接，或是提高或是抑制剪接过程。本研究为解析基因暗物质开启了大门。它有助于我们更深入地了解突变或多态性影响基因功能的机制。”