大部分人類基因組是“垃圾”？科學家把植物基因“塞進”人體細胞，找到證據

人類基因組中，真正有用的成分佔了多少？生物學界一直存在兩種聲音：一派認爲大部分DNA都承擔着重要職責，另一派認爲大部分DNA是“垃圾”。爲平息這場爭論，科學家們完成了一個大膽的實驗——在人類細胞中混入大量植物DNA。結果顯示，那些近乎隨機亂碼的植物DNA，活躍度竟與人類DNA相差無幾！新西蘭奧克蘭大學的佈雷特·阿迪認爲，這有力地證明，DNA大部分的活躍表現，可能只是無意義的“背景噪音”。這就爲“DNA垃圾論”增添了有力證據。

“暗物質”假說對陣“垃圾論”

DNA儲存着指揮細胞合成蛋白質的“配方”，但人類DNA中僅有約1.2%用於編碼蛋白質，剩下的98.8%在做什麼？

從上世紀60年代起，許多生物學家認爲，不編碼蛋白質的DNA大都是“垃圾”——哪怕確有一小部分非編碼DNA非常重要，而且未來我們可能還會不斷髮現有實際功能的片段，但都不會改變“絕大多數非編碼DNA無用”的整體判斷。

2011年的一項研究顯示，在漫長的進化過程中，只有約5%的人類DNA被保留下來，而對其餘的95%，大自然似乎表現出一種“睜一隻眼、閉一隻眼”的隨意態度。換句話說，這些“可有可無”的DNA，難道還會有用？

此外，持“大多DNA無用”觀點的生物學家還指出，不同物種的DNA數量差異驚人。例如，洋蔥的DNA數量是人類的5倍，肺魚更是高達人類的30倍。這些DNA也都是有用的嗎？

與“大多DNA無用派”不同，“有用論派”生物學家認爲，判斷人類DNA究竟是否有用，應該看它們有沒有在“做事”——只要DNA被轉錄成了RNA，哪怕某些RNA的功能還不清楚，也說明DNA在“做事”。

基於這個標準，2012年，一個名爲“DNA元素百科全書”（ENCODE）的大型研究項目發現，超過80%的人類DNA都在“做事”，都有活性。因而，該項目宣稱大部分的DNA絕非“垃圾”。而且，有些學者甚至還用“暗物質DNA”來形容非編碼DNA，意思是它們之所以看起來沒用，是因爲我們還沒弄懂其重要性。

把植物基因“塞進”人體細胞

針對ENCODE的結論，美國哈佛大學的肖恩·埃迪在2013年提出了一個大膽設想：啓動一個“隨機基因組項目”，將包含幾百萬鹼基對的“完全隨機合成DNA”植入人類細胞，再用ENCODE的方法檢測。某種意義上，這就彷彿是給DNA的蛋白質“配方”塞進大量亂碼，然後看它們是會不知所措地沉默，還是會繼續保持活躍。

“我們還會看到那些被視爲功能證據的活躍現象嗎？”埃迪認爲，答案是肯定的。

2022年12月5日攝，擬南芥樣品。（圖源新華社）

由於合成DNA成本高昂，此前的實驗最多隻使用過約含10萬個鹼基對的小片段。直到日本研究人員培育出了一種人類-植物雜交細胞，其中包含多達3500萬個鹼基對的擬南芥DNA，才真正開啓了史上最大規模的“隨機基因組項目”。

新西蘭奧克蘭大學的奧斯汀·甘利指出，肖恩·埃迪的“隨機基因組構想”，其精妙之處在於，僅憑測量活躍度其實無法論證DNA是否有用，“我們真正需要的是一個基線”。

至少在16億年前，植物和動物就在進化之路上分道揚鑣，此後擬南芥的非編碼DNA早就被各種突變“徹底隨機化”。埃迪估算，每一個位點恐怕都已經發生過好幾次突變，“對人類細胞來說，這些植物DNA確實相當於隨機序列”。

“活性”其實只是“背景噪音”

如果按照既有標準，DNA被轉錄成RNA就標誌着其具備功能，那麼這段隨機而無用的植物DNA，應該幾乎檢測不到轉錄活性纔對。於是，埃迪和甘利開始測量，每千個鹼基對的非編碼DNA中，有多少個啓動轉錄的起始點。

實驗結果顯示，這段擬南芥非編碼DNA的起始點密度，竟然達到了人類非編碼DNA的80%左右。這有力地表明，ENCODE項目中觀測到的所謂“活性”，絕大部分可能只是“背景噪音”。

英國愛丁堡大學的克里斯·龐廷表示：“這些植物序列裏發生的生化反應，顯然沒有賦予人類細胞任何功能。這個活生生的例子，完美展示了生物系統到底有多嘈雜。”

美國休斯頓大學的丹·格勞爾評價說：“這項極具巧思的研究來得正是時候，它再次印證了一個早已顯而易見的事實：人類基因組裏，大部分都是垃圾。至於‘暗物質DNA’這種說法，純粹是可笑的胡扯。”

甘利指出，在一個完美設計的系統中，本不該有噪音。但生物進化從不追求完美設計。況且，噪音也並非全無益處，“在不完美的系統中，噪音反而可能催生出一些新奇的事物，進而被自然選擇所利用”。

至於人類DNA的活性爲何比植物DNA高出約20%，研究團隊目前還無法解釋。有可能部分多餘的RNA確實具有功能，但即便如此，也不會動搖“大部分是垃圾”的結論。目前，研究團隊正藉助機器學習，試圖找出將“可能具有意義的活性”與“純粹背景噪音”區分開來的方法。