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對基因組暗物質的介紹

想象一下現在你手里有一個戲劇、一部電影、一部電視節目的劇本。當然，可能有人僅僅把劇本當成一本書來看。但是，如果它被用來產生某些東西的時候，它會變得更有力量。在被大聲朗讀出來，甚至被表演出來時，它就不再僅是頁面上的一串字符而已了。

DNA就是如此，它是最杰出的劇本。僅使用4個簡單的字母，它就攜帶了生命的所有編碼，從細菌到大象、從啤酒酵母到藍鯨。但試管中的DNA是很無聊的，它沒有用處。而細胞或動物開始用它進行生產的時候，DNA就會變得令人興奮。DNA被作為制造蛋白的編碼，這些蛋白對呼吸、進食、排泄廢物、生殖和所有其他生命特有的活動都至關重要。

蛋白的功能是如此重要，以至于20世紀的科學家使用它們來界定基因的含義。基因就是能夠編碼蛋白的DNA序列。

讓我們來懷念一下歷史上最偉大的劇作家威廉姆 莎士比亞(William Shakespeare)。我們可能需要一段時間才能理解莎士比亞的著作，因為英語從他去世的那個世紀起已發生了不小的改變。但即使如此，我們仍然相信，詩人僅書寫了他需要演員說的那些話。

例如，莎士比亞不會像下面這么寫劇本：

事實上，他只寫了劃線部分的單詞：

就是“A rose by any other name would smell as sweet(即使給玫瑰換個稱謂，它依然芳香如故)”。

但如果看看我們自己的DNA劇本，它并不像莎士比亞那些劃了線的詞語那么清晰和緊湊。相反，每個編碼蛋白的區域就像是漂浮在“廢話海洋”上的一個詞。

多年來，科學家們并不能解釋為什么那么多的DNA不編碼蛋白。這些非編碼的部分被誤會成“垃圾DNA”。但漸漸的，這個看法已經被一大堆理由逼迫得站不住腳了。

也許，轉變該觀點最根本的原因是源于我們細胞中垃圾DNA那驚人的總量。其中一個較大的沖擊來自2001年人類基因組測序完成的時候，人們發現人類細胞中98%以上的DNA被劃入了垃圾的行列。它不編碼任何蛋白。上面使用的莎士比亞的比喻實際上是一個精簡了的模型。在基因組里，亂七八糟的文字的比例約為前面提到的亂序劇本的4倍。每一個有意義的字母都對應著超過50個字母的垃圾文字。

還有一個類似的比喻。請想象下我們去參觀一個汽車廠，這家汽車廠也許像法拉利那么高端。如果我們看到只需要兩個人就能造好一輛炫酷的紅色跑車，而同時又有98個人在一旁無所事事的話一定很驚訝。這顯然是荒謬的，那么為什么這在我們的基因組里是合理存在的？當然，你可以說從共同祖先進化而來的生物往往不是的——比如我們人類就確實不需要闌尾(本書中作者多次以闌尾為例說明人體確實存在一些無功能的器官，但此觀點尚存爭議，因為有研究者認為闌尾在免疫和消化方面仍具有一定的功能。)——但這次似乎不得有點過頭了。

事實上，在我們的汽車廠里，更可能的情況應該是，由兩個人組裝一輛汽車，其他的98個人做著其他一切使這家企業運轉的工作。融資、記帳、宣傳產品、處理養老金、打掃廁所和汽車銷售等，這可能是一個更好的垃圾DNA在我們基因組里工作的模式。我們可以把蛋白作為生命所需的最終物質，但如果沒有垃圾DNA的話，它們永遠不會被正確地生產和整合出來。確實，兩人就能制造汽車，但他們不能保障公司可以出售汽車，也不能把它變成一個強大且成功的品牌。同樣，如果沒有汽車被生產出來，就算有98個員工在展廳拖地板和磨破嘴皮子也沒有任何意義。只有每個組件各司其職的時候整個組織才能運轉。而這，就是我們基因組的模式。

另一個來自基因組測序的令人震驚的事實是，使用經典的基因模型無法解釋人類極其復雜的解剖結構、生理功能、智力和行為。在編碼蛋白的基因的數量上，人體跟簡單而微小的蠕蟲幾乎具有相同的數量(大約20 000個)。更值得注意的是，大部分蠕蟲的基因跟人類基因可以直接等效。

當研究人員想在DNA水平上深入分析人類與其他生物到底有什么區別的時候，很明顯，基因不能提供解釋。事實上，遺傳物質只有一個特征與復雜性相關。這個的隨著動物復雜性增加而增加的就是垃圾DNA區域。一個生命體越復雜，垃圾DNA所占的百分比就越高。只有現在，科學家們才真正開始關注這個有爭議的觀點，就是垃圾DNA可能是進化復雜性的關鍵。

從某個角度看，這些數據所引出的問題是很明顯的。如果垃圾DNA是如此的重要，那它到底是干什么的？如果不編碼蛋白，它在細胞中的作用是什么？現在人們逐漸接受了垃圾DNA其實具有多種不同功能的觀點，所以對下面的敘述我們并不會感到吃驚。

它們中的一些在染色體(我們的DNA被打包成的巨大分子)中形成特殊的結構。這種垃圾DNA保護我們的DNA不被解體和受損。隨著我們年齡的增長，這些區域不斷縮小，縮小到臨界程度。之后，我們的遺傳物質就變得很容易遭遇潛在的災難性的重排，從而導致細胞的死亡或癌變。其他結構類型的垃圾DNA在細胞分裂成子細胞過程中進行染色體均分時作為錨點。(“子細胞”是指由親代細胞分裂產生的細胞。)其他的則作為絕緣結構，限制了特定區域染色體的基因表達。

但是我們很多的垃圾DNA并不僅僅具有上面提到的功能。它確實不編碼蛋白質，但它卻編碼另外一種分子，我們稱之為RNA。垃圾DNA里面有很大一類在細胞內建造工廠，來幫助蛋白質的合成。其他類型的RNA分子負責將制造蛋白質所需的原料轉移到工廠里面。

另外有些垃圾DNA是來自病毒和其他微生物的遺傳物質的入侵，它們已經如遺傳間諜般融入了人類染色體中。這些早已死去的生物的殘留物對細胞有著潛在的危險，有些在個體中，而有的甚至存在于廣泛的人群中。哺乳動物細胞已進化出多種機制來使這些病毒元件保持沉默，但有的時候這些系統可以被打破。當出現這種問題的時候，它們所產生的影響可以是相對良性的，比如特定種系小鼠毛色的改變，也可以是很嚴重的，比如增加罹患癌癥的風險。

就在前幾年，人們認識到垃圾DNA的一個主要作用其實是調節基因的表達。有時候，它在個體上會有巨大的、明顯的效果。比如，一個垃圾DNA就可以決定雌性動物能否保持正確的基因表達模式。它的作用也可以是在群體中的，一個最常見的例子是虎斑貓顏色特征的控制。在極端的例子中，該機制也能解釋為什么有同樣遺傳性疾病的同卵雙胞胎女性會出現截然不同的癥狀。在某些情況下，情況可以極端到雙胞胎中的一個罹患了嚴重危及生命的疾病，而另一個則是健康的。

成千上萬的垃圾DN段被認為參與了調控基因表達的網絡。它們就像是遺傳劇本的舞臺導演一樣，只是其指導對象的復雜性是我們在劇院里無法想象的。它不是“出去，被熊追趕”那么簡單。而應該是類似于“如果在溫哥華和珀斯的暴風雨中表演《哈姆雷特》，就應該重讀《麥克白》這一行的第四音節。除非有個業余演員在蒙巴薩表演《理查三世》而且基多在下雨。”

研究人員剛剛才開始揭開垃圾DNA龐大網絡中的奧秘和關聯的一角。這個領域仍具有爭議。在極端的情況下，有科學家聲稱有些武斷的說法嚴重缺乏實驗證據的支持。其他有些人則覺得有整整一代科學家(甚至更多)被困在一個過時的模型中而無法看到或者理解這個新領域。

有部分原因是，我們可以用來探索垃圾DNA功能的手段還比較落后。這有時會讓研究人員很難使用實驗來檢驗他們的假設。確實，我們對該領域的研究時間還相對較短。但有時候，我們可以從實驗室的板凳跟機器旁退出來，去草坪轉轉。實驗每天都在我們身邊發生，因為自然和進化已經使用了幾十億年的時間來嘗試各種變化。即使僅僅在我們這個物種出現和繁衍的時間段，也已經有足夠的時間來進行大規模的實驗測試。因此，我們將在本書中利用人類遺傳學的火炬來探索黑暗。

可以有許多方法來開始我們的探究基因組暗物質之旅，這里，讓我們用一個有些奇怪但不容置疑的事實來開始。一些遺傳病是由垃圾DNA的突變引起的，這應該是我們進入隱藏的基因組宇宙的好起點。