潛藏在沙鼠和鳥類中的暗DNA，將挑戰人們對自然選擇機制的認知？

某些動物即使在基因組中隱藏了非常多的突變DNA的情況下仍能興旺繁育的發現，迫使我們重新思考進化的一些基本原理

翻譯 李振宇

審校 LYW 譚坤

體型肥碩的沙鼠是一種奇怪的生物。它生活在洞穴中，每天吃相當於其體重80%的樹葉，並且不喝水。但是關於這種沙鼠更為奇異之處在於它似乎丟失了許多 DNA。

毫無疑問你一定已經聽說過暗物質，一種被認為構成了宇宙的四分之一的物質。我們知道它就在那裡，但我們就是無法探測到它們。在基因組中也有類似的情況。我和我的同事們把這種難以捉摸的遺傳物質稱為「暗 DNA」 （Dark DNA ）。我們對沙鼠的研究正在開始逐漸揭示它的本質。

暗 DNA 的發現是如此之新，以至於我們仍在試圖弄清楚它到底有多麼廣泛存在，以及它是否有益於那些擁有它的物種。然而，它的特殊存在引發了一些關於遺傳學和進化的基本問題。我們可能需要重新審視在分子水平上的，這樣的適應是如何發生的。而更有爭議的是，暗 DNA 甚至可能是進化的驅動力量。

沙鼠（Psammomy sobesus）是一種原產於北非和中東的沙漠物種，但把它放在實驗室時，奇怪的事情發生了。當給予「正常」飲食——即實驗室嚙齒類動物的標準食物時——沙鼠往往會變得肥胖，並發展為2型糖尿病。這一現象於20世紀60年代被發現，並使沙鼠成為對人類營養性糖尿病有興趣的生物學家的研究焦點。然而，在這麼長時間中，為什麼這些沙鼠對這種疾病如此易感的謎團仍然沒有得到解答。

我的主要工作興趣是毒蛇。不可否認，我的興趣與沙鼠間的聯繫十分微弱——盡最大的努力，也只能說嚙齒動物可以被看作蛇的晚餐——所以這個物種對我來說並不是一個顯而易見的研究對象。但是我一直都很享受探究奧秘。我對沙鼠的了解的越多，我就越好奇。確鑿的證據似乎是一種叫做 Pdx1的基因。它編碼的 Pdx1蛋白有很多作用，包括促進胰腺發育和控制胰島素基因的開關。

我們需要重新思考一個基因在承受多大的突變後仍能繼續發揮作用

這一基因對正常生理機能至關重要，人們也已經在幾乎所有脊椎動物中發現了它。然而，有趣的是，相關的遺傳學研究未能在沙鼠身上發現它。但是它們有一個正常的胰腺並且能夠分泌胰島素。這沒有道理。到底發生了什麼？

幸運的是，我對這個悖論的痴迷恰巧與遺傳學的一次變革的發生不謀而合，這使得我們有機會對其進行研究。我與華大基因在內的 9 個研究機構的 17 名研究人員進行了合作，並對整個沙鼠基因組進行了測序。更令人困惑的事情發生了，Pdx1 並不是唯一缺失的基因。事實上，在其他動物的同一條染色體上存在的一大塊包含近 90 個基因的 DNA 片段，在沙鼠身上卻不見了蹤影。許多這樣的基因，如 Pdx1，都是生存所必需的。而更重要的是，我們卻發現了它們對應的 RNA 轉錄本（細胞作為模板製造蛋白質的基因片段的轉錄產物，見下圖圖）。但基因去哪裡了？

當我們仔細檢視這些 RNA 轉錄本時，一條重要線索逐漸顯露出來。遺傳密碼由4個鹼基編碼組成，即 A，T，G 和 C，而令人匪夷所思的是，這些轉錄本序列中的G和C含量是如此之高。我們之中沒有任何人見過這樣的情況。但我們意識到這也許可以解釋為什麼對應的 DNA 片段似乎失蹤了——標準測序技術並不擅長提取高 G 和 C 水平的 DNA 片段。所以我們提出用另一種不同的方法以揭示了難以捉摸的 DNA，即使用氯化銫超速離心法。這一方法將 DNA 片段在高鹽濃度的溶液中快速離心（至少4萬轉每分鐘）三天，以使富含 G C 鹼基高密度碎片沉到管底。把這部分分離出來之後，我們嘗試著對其進行單獨測序。

大約15%的鳥類基因似乎都被忽視了

嘗試最終成功了。我們發現了一個突變熱點區域——一個存在大量突變的 DNA 區域，其中很多是由 A 或 T 突變為 G 或 C 鹼基。例如，沙鼠Pdx1基因比我們所知的動物王國里的任何其他版本都含有更多的突變——這使得其編碼的 Pdx1 蛋白質僅僅在一個與 DNA 結合的關鍵區域就有至少 15 個氨基酸不同於正常的版本。

脊椎動物在這一區域發生突變是極其罕見的。突變通常會破壞一個基因的功能，而這部分我們難以探測到的暗 DNA 中所攜帶的基因對於生存來說是如此重要，以至於在進化過程中它們幾乎沒有發生改變。然而，沙鼠的Pdx1基因，連同一些其他基因，在如此劇烈的突變的水平上仍能發揮作用。這一發現迫使我們重新審視我們的基因究竟能承受多大程度的改變並仍然能正常工作的觀點。

Pdx1 的極端差異可能有助於解釋為什麼沙鼠會患上糖尿病，如果它們的 Pdx1蛋白質沒有其他動物的那麼有效。這也解釋了為什麼 Pdx1最初看起來似乎缺失了。但在解開 DNA 缺失之謎的過程中，我們提出了一個有趣的可能性。我們知道，標準的基因組測序在測序包含大量 G 和 C 鹼基的 DNA 片段時遇到了麻煩，所以沙鼠也許不是唯一一個攜帶這種突變熱點的物種。暗 DNA 可能暗藏在基其它基因組中。

事實上，其他 12 種的沙鼠也明顯缺乏Pdx1，這提示它們也可能擁有暗 DNA。我們現在正在進一步深入研究這個問題。更重要的是，鳥類似乎和沙鼠基因組有驚人的相似之處。迄今為止，已經測得的許多鳥類的基因組中似乎都有超過 270 個基因序列的缺失，這些基因存在於大多數其他脊椎動物的基因組中，包括一些如編碼瘦素（一種調節飢餓感的激素）這樣重要的基因。

然而，來自德國慕尼黑大學的 Fidel Botero Castro 和他的同事們的最新研究表明，鳥類確實會製造這些「缺失」基因的 RNA 轉錄本。更重要的是，這些序列的G和C鹼基水平非常高。這聽起來是不是很熟悉？事實上，研究人員估計，在以前的研究中，大約15%的鳥類基因都被忽略了。

這暗示著暗 DNA 的存在可能相當普遍。如果是這樣的話，我們可能不得不重新思考一些關於基因組如何進化的觀點。通過比較過去十年中被測序的成千上萬個基因組（參見「破譯生命密碼」），生物學家正試圖找出哪些基因在某些譜系中丟失了，哪些新基因已經誕生了。這有助於他們了解是什麼造就了不同的生物種群間的差異，以及基因在分子水平上的適應是如何發生的。

如果暗 DNA 是普遍存在的，這就會給我們的工作帶來麻煩，因為我們從前認為缺失的基因可能實際上是存在的。現在也許是時候重新審視一下已經被測序的基因組了，以確定我們是否已經得到了完整的圖景。至少在進行新基因組測序時，我們也應該警惕可能存在的暗 DNA。

或者，有些人可能會提出，如果暗 DNA 是廣泛存在的，我們早就應該發現它了。也許沙鼠和鳥類只是極端的例子，暗 DNA 的分布在其他生物中遠沒有那麼廣泛。這樣的爭論也很有趣，因為它提出了一個問題，是什麼使得沙鼠和鳥類如此與眾不同。而對這個問題的解答可能是理解暗 DNA 是如何形成的關鍵。兩組動物的染色體數目在種內都存在巨大的差異——例如，在不同沙鼠中，染色體數量在 22 到 68 之間。這也許能夠成為一個線索，因為這表明，他們的染色體在進化過程中傾向於斷裂。而在生殖細胞的形成過程中，染色體通常會通過斷裂和重新組合來促進後代的遺傳多樣性。當這種情況發生時，會發生一種被稱為 GC 傾向的基因轉換的過程，導致基因相比 A 和 T 發生更多的 G 和 C 突變。這可能導致 G 和 C 鹼基在特定的 DNA 區域聚集。而這是否會是導致那些存在易斷裂基因的物種中存在暗DNA的原因呢？我們不知道，但這是可能的。

暗DNA可能會影響進化的方向

而更令人感興趣的是暗 DNA 是如何影響進化的呢？大多數教科書將進化描述為一個兩步過程。首先，一連串的穩定基因隨機突變創造了生物體 DNA 中的變異。然後，自然選擇就像一個過濾器，決定哪些突變被傳遞。這通常取決於它們是否具有某種優勢，儘管不是在進化過程中產生的所有東西都是具有適應性的-因此，自然選擇是推動生物體進化的唯一動力。

但是當把暗 DNA 一起考慮時，事實就不一定是這樣了。如果這些突變熱點中的基因比其他區域的基因突變的機率更高，它們就會朝自然選擇的作用方向發生更多的變異，因此它們被賦予的特性將會進化得更快。換句話說，暗 DNA 可能會影響進化的方向，並對突變起驅動作用。事實上，我和我的同事們已經提出，暗 DNA 的變異率是如此之快，以致於自然選擇的作用速度可能不足以快到以通常的方式去淘汰有害變異體。如果一個物種面臨新的環境挑戰，這些基因甚至可能在以後存在下去並變得適應。

雙重控制？

突變驅動的進化理論是存在爭議的，但並非沒有先例。自上世紀70年代中期之後，著名分子生物學家根井正利（Masatoshi Nei）已經提出，進化行為背後最重要的推動力量發生在分子水平，即由 DNA 突變所產生的變異。如果沒有這種自發的變化，自然選擇也將無所作為，這使得變異在進化中重要性僅次於自然選擇。暗 DNA 的發現為這種思維方式添加了證據。當然，這並不是要在突變和自然選擇之間做出直接選擇。例如，在沙鼠中，大量的暗 DNA 基因的高突變率，可能對物種的進化軌跡產生巨大影響。然而，一些選擇行為也必須作用於這些基因，否則突變的泛濫成災會形成一個沒有功能基因的無意義區域，這樣物種也無法存活下來。

事實上，很難確定沙鼠是否已經從它的突變熱點區域中受益。你可能會認為它的極端突變是一個問題，否則為什麼像 Pdx1 這樣的蛋白質在其他動物中會完全相同呢？但是，沙鼠的暗 DNA 可能會導致一些在正常情況下不會出現的適應行為。也許這些突變使得它能夠在幾乎無法獲得飲用水的情況下依賴如此營養匱乏的食物生存下來，並因此得以在惡劣的沙漠環境中茁壯成長，並鮮有競爭者。另一方面，如果沙鼠吃營養豐富的食物，就會患上糖尿病並死亡的話，就可能意味著它們只能被迫在沙漠里生存了。因此，暗 DNA 對沙鼠而言，可能即扮演著解放者又扮演著囚禁者的角色。

總之，目前暗 DNA 的作用仍然成謎。不過有一件事是肯定的，在基因組是如何在分子水平上進化的和該過程是如何在地球上產生如此令人驚嘆的生物多樣性的問題上，我們仍有很多東西需要去了解。

破譯生命密碼

人類全基因組測序在各方高度協作的基礎上用時 10 年時間，並花費了大約 27 億美元。自從該工程於 2003 年完工以來，巨大的技術上的進步使得測序速度更快，成本也更低。迄今為止，大約 15000 個物種的全基因組已經被破譯。而這僅僅是開始，全基因組測序的商業化的競爭是如此激烈，以至於我們可能很快就會對包括身在子宮內的胎兒在內的所有個體的基因藍圖進行例行的基因解碼。

基因測序包括對沿著 DNA 鏈配對的被稱為 A、T、G 和 C 的四種核苷酸或鹼基的精確順序進行推斷。先驅性的測序技術如弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）在上世紀70年代設計的那樣，大多是手工操作的。Sanger 測序需要使用單一DNA 鏈作為模板，以一次添加一個帶有特殊的標記鹼基的速率在試管中合成出一條互補鏈，從而讀出序列。這種方法是準確的，但卻非常耗時;一個熟練的工人可能最多也就能在一天內破譯 10,000 個鹼基對。而人類基因組約有 32 億個鹼基對。

而現在，排序已基本上實現自動化，所以過程要快得多。DNA 鏈的多份拷貝首先被隨機地分割成小片段（長度通常在 100 到 150 個鹼基之間），在匹配重疊片段的計算機程序將測序結果重新拼湊起來之前，分別對它們進行排序。但存在一個問題，這種「下一代」測序技術並不擅長破解一段高 GC 含量的 DNA 片段，因為這使得對重疊的碎片進行重組變得困難。因此，我們可能忽略了迄今為止已經測得的基因組中的大量 DNA 片段。我和我的同事們把這樣的 DNA 稱為「暗DNA」。

新一代的測序方法更為準確。可以將 DNA 的片段的可讀長度擴展到數千個鹼基，從而減少了破譯重疊區域遇到的問題。隨著技術的快速改進，暗 DNA 將會逐漸進入人們的視野。我們甚至可能在我們已經認為被破譯的基因組中發現新的驚喜。

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