「Dark DNA」改變我們對基因組進化的思考

DNA 測序技術正在幫助科學家解開人類在數百年一直詢問的動物謎題。

通過繪製動物基因組，我們現在更清楚地了解，長頸鹿的脖子為什麼那麼大，蛇為什麼有那麼長的身子。基因組測序使我們能夠比較和對比不同動物的 DNA，並且發現這些動物如何以自己特有的方式進化發展。

但在某些情況下，我們面臨著一個謎題。一些動物的基因組似乎缺少某些基因，但是這些基因會出現在其他類似的物種里，而且動物的存活都必須有這些基因的存在。這些明顯缺失的基因被稱為「Dark DNA」，而它的存在可以改變我們對進化的思考方式。

我和同事第一次遇到這種現象是我們在測序沙鼠（嗜沙肥鼠）基因組的時候，這是生活在沙漠的一種沙鼠。我們特別想要研究與生產胰島素相關的沙鼠基因，以了解為什麼沙鼠特別容易患二型糖尿病。

但是，當我們在尋找一種控制胰島素分泌的 Pdx1 基因時，我們發現這種基因處於缺失狀態，但其他 87 個基因圍繞在它周圍。其中一些缺失的基因，包括 Pdx1 基因，都是必不可少的，沒有它們動物就無法存活。那麼這些基因都在何處呢？

第一個線索是，在沙鼠的幾個身體組織中，我們發現了受「缺失」基因指示而產生的化學產物，這隻有在這些基因存在於基因組中的某個地方時才能實現。這就表明它們並不是真的缺失，只是隱藏起來了。

這些基因的 DNA 序列擁有大量的 G 分子和 C 分子，它們是構成 DNA 的四個「基本」分子中的兩個。我們知道富含 GC 的序列會對某些 DNA 測序技術造成一些問題。與遺漏相比，我們難以探測我們想要尋找的基因，這使得發生這種情況的可能性更大。因此，我們將隱藏的序列稱為「Dark DNA」，這參考了暗物質的名稱。我們認為暗物質在宇宙構成中的比重約為 25%，但是，我們無法進行實際檢測。

通過進一步研究沙鼠基因組，我們發現其中一部分基因組中的突變特別多，遠遠超過在其他嚙齒動物基因組中發現的突變。現在，在這一突變熱點內的所有基因都擁有富含 GC 分子的 DNA，而且這些基因都變得難以用標準的方法進行檢測。過多的突變通常會阻止基因正常工作，但是不管怎樣，儘管 DNA 序列發生了徹底的改變，沙鼠的基因仍能發揮它的作用。

這對基因來說是非常困難的任務。

以前曾在鳥類中發現了這種 Dark DNA。科學家發現，目前測序的鳥類基因組中缺失了 274 個基因。這些缺失基因包括瘦素基因（一種調節能量平衡的激素），科學家多年來都無法找到這種基因。這些基因也擁有非常高的 GC 含量，並且它們的產物存在於鳥體組織中，即便這些基因似乎在基因組序列中處於缺失狀態。

什麼是 Dark DNA？

大多數教科書對進化的定義表明它分為兩個階段：突變，然後就是自然選擇。

DNA 突變是一個常見且連續的過程，完全隨機發生。然後，自然選擇用於確定突變是否會繼續，這通常取決於它們是否帶來了更高的繁殖成功率。總之，突變會造成生物 DNA 的變異，自然選擇決定它是留下還是消失，所以自然選擇影響了進化的方向。

但是，基因組內的高突變熱點意味著某些位置的基因比其他的基因更易發生突變。這意味著，這樣的熱點可能是不受重視的機制，它也可能影響進化的方向，這表明自然選擇可能不是唯一的推動力。

到目前為止，Dark DNA 似乎存在於兩種非常多樣化和完全不同類型的動物中。但是，我們現在還不清楚它的普遍程度。

所有的動物基因組都可以擁有 Dark DNA 么？如果不是這樣的話，那是什麼讓沙鼠和鳥類如此的獨特？亟待解決的，也最令人激動的迷題將會找出 Dark DNA 對動物進化有何影響。

在沙鼠的例子中，我們發現突變熱點可能會使動物適應沙漠生活。但另一方面，突變可能會發生得非常快，以至於自然選擇無法做出足夠快速的反應來去除 DNA 中的有害物質。如果是這樣，這意味著有害突變可以抑制沙鼠在沙漠之外的環境生存。

發現這樣一個奇怪的現象肯定會引起關於基因組進化發展的各種問題，以及在現有基因組測序項目中有可能會遺漏什麼的問題。也許我們需要回過頭去再仔細觀察一下。

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