大部分人类基因组是“垃圾”？科学家把植物基因“塞进”人体细胞，找到证据

人类基因组中，真正有用的成分占了多少？生物学界一直存在两种声音：一派认为大部分DNA都承担着重要职责，另一派认为大部分DNA是“垃圾”。为平息这场争论，科学家们完成了一个大胆的实验——在人类细胞中混入大量植物DNA。结果显示，那些近乎随机乱码的植物DNA，活跃度竟与人类DNA相差无几！新西兰奥克兰大学的布雷特·阿迪认为，这有力地证明，DNA大部分的活跃表现，可能只是无意义的“背景噪音”。这就为“DNA垃圾论”增添了有力证据。

“暗物质”假说对阵“垃圾论”

DNA储存着指挥细胞合成蛋白质的“配方”，但人类DNA中仅有约1.2%用于编码蛋白质，剩下的98.8%在做什么？

从上世纪60年代起，许多生物学家认为，不编码蛋白质的DNA大都是“垃圾”——哪怕确有一小部分非编码DNA非常重要，而且未来我们可能还会不断发现有实际功能的片段，但都不会改变“绝大多数非编码DNA无用”的整体判断。

2011年的一项研究显示，在漫长的进化过程中，只有约5%的人类DNA被保留下来，而对其余的95%，大自然似乎表现出一种“睁一只眼、闭一只眼”的随意态度。换句话说，这些“可有可无”的DNA，难道还会有用？

此外，持“大多DNA无用”观点的生物学家还指出，不同物种的DNA数量差异惊人。例如，洋葱的DNA数量是人类的5倍，肺鱼更是高达人类的30倍。这些DNA也都是有用的吗？

与“大多DNA无用派”不同，“有用论派”生物学家认为，判断人类DNA究竟是否有用，应该看它们有没有在“做事”——只要DNA被转录成了RNA，哪怕某些RNA的功能还不清楚，也说明DNA在“做事”。

基于这个标准，2012年，一个名为“DNA元素百科全书”（ENCODE）的大型研究项目发现，超过80%的人类DNA都在“做事”，都有活性。因而，该项目宣称大部分的DNA绝非“垃圾”。而且，有些学者甚至还用“暗物质DNA”来形容非编码DNA，意思是它们之所以看起来没用，是因为我们还没弄懂其重要性。

把植物基因“塞进”人体细胞

针对ENCODE的结论，美国哈佛大学的肖恩·埃迪在2013年提出了一个大胆设想：启动一个“随机基因组项目”，将包含几百万碱基对的“完全随机合成DNA”植入人类细胞，再用ENCODE的方法检测。某种意义上，这就仿佛是给DNA的蛋白质“配方”塞进大量乱码，然后看它们是会不知所措地沉默，还是会继续保持活跃。

“我们还会看到那些被视为功能证据的活跃现象吗？”埃迪认为，答案是肯定的。

2022年12月5日摄，拟南芥样品。（图源新华社）

由于合成DNA成本高昂，此前的实验最多只使用过约含10万个碱基对的小片段。直到日本研究人员培育出了一种人类-植物杂交细胞，其中包含多达3500万个碱基对的拟南芥DNA，才真正开启了史上最大规模的“随机基因组项目”。

新西兰奥克兰大学的奥斯汀·甘利指出，肖恩·埃迪的“随机基因组构想”，其精妙之处在于，仅凭测量活跃度其实无法论证DNA是否有用，“我们真正需要的是一个基线”。

至少在16亿年前，植物和动物就在进化之路上分道扬镳，此后拟南芥的非编码DNA早就被各种突变“彻底随机化”。埃迪估算，每一个位点恐怕都已经发生过好几次突变，“对人类细胞来说，这些植物DNA确实相当于随机序列”。

“活性”其实只是“背景噪音”

如果按照既有标准，DNA被转录成RNA就标志着其具备功能，那么这段随机而无用的植物DNA，应该几乎检测不到转录活性才对。于是，埃迪和甘利开始测量，每千个碱基对的非编码DNA中，有多少个启动转录的起始点。

实验结果显示，这段拟南芥非编码DNA的起始点密度，竟然达到了人类非编码DNA的80%左右。这有力地表明，ENCODE项目中观测到的所谓“活性”，绝大部分可能只是“背景噪音”。

英国爱丁堡大学的克里斯·庞廷表示：“这些植物序列里发生的生化反应，显然没有赋予人类细胞任何功能。这个活生生的例子，完美展示了生物系统到底有多嘈杂。”

美国休斯顿大学的丹·格劳尔评价说：“这项极具巧思的研究来得正是时候，它再次印证了一个早已显而易见的事实：人类基因组里，大部分都是垃圾。至于‘暗物质DNA’这种说法，纯粹是可笑的胡扯。”

甘利指出，在一个完美设计的系统中，本不该有噪音。但生物进化从不追求完美设计。况且，噪音也并非全无益处，“在不完美的系统中，噪音反而可能催生出一些新奇的事物，进而被自然选择所利用”。

至于人类DNA的活性为何比植物DNA高出约20%，研究团队目前还无法解释。有可能部分多余的RNA确实具有功能，但即便如此，也不会动摇“大部分是垃圾”的结论。目前，研究团队正借助机器学习，试图找出将“可能具有意义的活性”与“纯粹背景噪音”区分开来的方法。

原标题：《大部分人类基因组是“垃圾”？科学家把植物基因“塞进”人体细胞，找到证据》

栏目主编：张懿 文字编辑：金奕伶

来源：作者：简三月/编译