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只有8.2%的人类DNA是功能性的

2014.7.28

  有将近99%的人类基因组并不编码蛋白质,虽然最近科学家对剩余的非编码DNA部分,做了大量的生化注释,但是,这些DNA序列大部分是否具有重要的功能角色,目前尚不清楚。

  最近,牛津大学的研究人员指出,只有8.2%的人类DNA可能起重要的作用——是“功能性”的。

  这个数字与2012年给出的数字非常不同,当时参与“DNA元素百科全书(ENCODE)”研究项目的一些科学家表示,大约80%的人类基因组有一些生化功能。这种说法一直备受争议,在该领域有许多人争论,“功能”的生化定义太过宽泛——只因为DNA活动发生时,它不一定会有结果;对于功能性来说,你需要证明一种活动很重要。

  为此,牛津大学的研究小组,利用进化的能力来识别哪些活动重要哪些不重要。他们发现了有多少基因组在超过1亿年的哺乳动物进化过程中,已经避免了积累变化——一个明确的迹象表明,这种DNA重要,它具有一些需要保留的重要功能。

  本文共同资深作者、牛津大学MRC功能基因组学部门的Chris Pointing教授指出:“在很大程度上,这是一个关于‘什么是功能性DNA的不同定义’的问题。我们认为,我们的数字,与利用功能性DNA的相同定义、从ENCODE数据库中得出的数字,并没有太多不同。”

  但是这只不过是个关于模糊单词“功能”的学术争论。这些定义很重要。当测定患者的基因组时,如果我们的DNA在很大程度上是功能性的,我们就需要留意每一个突变。相比之下,只有8%是功能性的,我们必须解决检测到的8%的突变,它们可能是重要的。从医学角度来看,这对于解释人类遗传变异在疾病中的作用,是必不可少的。

  相关研究结果发表在最近的《PLOS Genetics》杂志。该研究是由英国医学研究理事会和威康信托基金会资助。在研究中,研究人员使用一种计算方法,比较各种哺乳动物的完整DNA序列,从小鼠、豚鼠和兔子,到狗、马和人类。

  本文另外一位共同资深作者、牛津大学威康信托人类遗传学中心的Gerton Lunter博士解释说:“在这些物种从它们共同祖先开始的进化过程中,DNA出现突变,自然选择会抵消这些变化,以保持有用的DNA序列完整。”

  科学家的想法是,研究DNA片段的插入和缺失出现在哺乳动物基因组的哪个部位。Lunter博士称:“我们发现,8.2%的人类基因组是功能性的。我们不知道这8.2%的功能性DNA都分布在我们基因组的什么部位,但是我们的方法在很大程度上摆脱了设想和假设,例如,它不依赖于我们对基因组的了解或者用来鉴定生物功能的特定实验。”

  我们基因组的其余部分是剩下的进化材料,部分基因组已经经历了DNA编码的缺失或收益——通常被称为“垃圾DNA”。

  本文第一作者Chris Rands称:“我们往往会预期,我们所有的DNA必须都起作用。实际上,只有一小部分。”研究人员解释,这8.2%的基因组,并不是所有都同样重要。略高于1%的人类DNA,编码的蛋白质,执行体内几乎所有关键的生物学过程。其他7%的DNA被认为参与打开和关闭编码蛋白质的基因——在不同的时期,响应各种因素,在身体的不同部位。这些是控制和调控元件,有各种不同的类型。

  Rands博士称:“在身体每个细胞内,所产生的蛋白质几乎是相同的,从我们出生到我们死去。它们当中哪些是打开的,在身体什么部位,什么时间点,需要被控制——这是那7%的DNA所做的工作。”

  在比较不同物种的基因组时,研究人员发现,虽然蛋白质编码基因在哺乳动物之间非常保守,但是在调控区域的DNA序列有着高周转率,因为这些序列会随着时间推移失去和获得。

  关系更密切的哺乳动物之间,有较大比例的功能性DNA是共有的。但是只有2.2%的人类DNA是功能性的并与小鼠共有,因为这两个物种经过8000万年的进化分离,调控DNA区域有较高的周转率。

  Lunter博士称:“调控的DNA,其进化比我们认为的更加动态,但是即便如此,大多数的基因组变化涉及到垃圾DNA,并且是无关的。”

  他解释说,虽然有很多功能性DNA没有在小鼠和人之间共有,但是我们还不能说,什么是新的并解释我们的物种差异,这仅仅是实现相同结果的一个不同基因开关系统。

  Ponting教授认为:“在我们的生物学过程被控制和抑制的过程中,似乎有大量的冗余。这就像是在一个房间里有很多开关控制着灯。也许你不用一面墙上的一些开关或另一些开关,都能打开灯,但仍然是相同的电路。”

  他补充说:“我们只有2.2%的DNA与小鼠是共有的,这个事实并不表明我们非常不同。我们并不是很特别。我们的的基本生物学跟小鼠是非常相似的。”他指出:“我绝对不认为小鼠是动物研究的糟糕模式生物。这项研究实际上没有提及这个问题。”

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