视野：基因组暗物质不是“垃圾DNA”

你好，我是仇子龙，欢迎来到《基因科学课》。

2000年，克林顿在白宫宣布人类基因组计划胜利完成。科学家们预测三年后，就会知道准确的人类基因数目。

就要知道人类所有的基因数目了，大家都很激动。小老鼠才有两万多个基因，人类的基因估计没有十万，也得有七八万吧？为此，科学家们还郑重其事地打了个赌，每人压上几美元，看看最后谁猜得准。

不过，到了2003年4月14日，当人类基因组计划真正完成的时候，这些科学家都傻眼了。人类居然只有两万多个基因，和小鼠的基因数目差不多！更让人意外的是，这两万多个基因只占人类的基因组总数的3%。

我们研究了一百多年的基因，原来只是30亿个DNA里的冰山一角！

那剩下的97%的DNA到底是干吗的？它们既然不编码蛋白质，又有什么用呢？很多人认为它们一点用都没有，称它们为“基因组暗物质”，或者干脆叫它们“垃圾DNA”。

这一讲，我们来讲讲人类的第二个觉醒，视野的觉醒。让我们把视角从基因拉到基因组，看看97%的基因组暗物质到底有没有用？

1. 演化的缓冲区

仔细想想，基因只占基因组的3%，这简直就是汪洋大海里面的小岛，小得可怜。基因组干吗要那么多不编码蛋白质的部分呢？每次细胞复制的时候，都得耗费能量来把基因组完整地复制一遍，不是很浪费吗？这么多能量如果能节省下来，干点什么都比复制这些没用的DNA要强啊。

让我们先来做一个思想实验。

假如我们的基因组没有必要那么大，在生物演化的几十亿年过程中，我敢说基因组肯定会一点点缩小。因为，如果基因组没有必要那么大，在复制过程中意外丢失了一些没有用的DNA的生物，肯定会获得更强的竞争优势。长期以往，基因组肯定会越来越小。

实际上，地球上的生物，并非越演化基因组越小，不过也没有越来越大。

所以，我们可以有两点猜测：

1. 基因组如果太大，确实消耗能量，所以不会无限制扩大。
2. 基因组必须比基因大，如果基因组只是基因连在一起，估计没法用。

这是为什么呢？

还记得我们讲的基因演化律吧。基因会通过点突变和重组来完成自己的演化。DNA复制时发生点突变的几率是多少呢？十亿分之一。

这个数字听起来好像超级保真，但是因为基因组有30亿个字符，所以从概率上讲，每一次复制都会有几个DNA字符发生突变。

你别忘了，在成人的过程中，我们要从一个受精卵分裂成50万亿个细胞，而每一次细胞分裂，都得把基因组完整复制一次。所以，按照这个几率，估计我们还没长大，基因就已经突变得不成样子了。

不过，因为基因组里有庞大的暗物质，你完全不用担心这些问题。因为暗物质的存在，点突变或者基因重组绝大部分都不会发生在基因里，这样就不容易损坏基因本身。

所以，暗物质是基因组里重要的缓冲区。它们用自身的暗流汹涌，保障了基因的安全。

2.垃圾DNA是垃圾吗？

除了提供缓冲区，暗物质还有什么作用吗？

我来给你讲一个最新的科学研究成果。2019年1月，科学家发现，酵母菌基因组里的暗物质根本不是垃圾，而是帮酵母菌渡过难关的法宝。

酵母菌是一种单细胞的生物，用于食品发酵，在做面包和酿酒的时候都需要它们。实验里研究的暗物质是我们之前提过的内含子，也就是断裂的基因里不编码蛋白质的部分。

为了研究酵母菌的内含子DNA究竟有什么用，科学家把这些内含子进行了删除。

一开始，他们发现，没有了内含子，酵母菌的生存完全不受影响，垃圾DNA好像确实是垃圾嘛。没想到，剧情马上反转了。他们接着发现，如果酵母菌处于营养匮乏的环境里，失去了内含子的酵母菌的生存率远远不如有内含子的酵母菌。

酵母菌3D视图

这是怎么回事？

让我们复习一下基因生产蛋白质的过程。基因会先变成信使RNA，再从信使RNA合成蛋白质。因为基因由外显子和内含子组成，所以在信使RNA阶段，必须把内含子统统剪掉。

这个研究发现，这些被剪切下来的内含子会以RNA的形式存在。当外界环境缺乏营养时，这些RNA会作为蛋白质工厂的临时刹车器，减慢蛋白质生产的速度，帮助酵母菌节省宝贵的能量，在困难时刻生存下来。

所以，如果人为地把内含子删除掉，这种被改造的酵母菌在营养丰富的时候活得不错，但是在缺乏营养的时候，因为没有及时地节省能量，自然就不容易活下来了。（参考文献1、2）

自然界变幻莫测，谁能保证一直风调雨顺呢？在艰难时刻，原来是所谓的“垃圾DNA”帮我们渡过难关。

看来，我们真是错怪了它们。

当然，这只是在酵母菌里的发现。对于更复杂的哺乳类动物以及人类细胞中，这些内含子暗物质究竟有什么作用，我们还不完全知道。但是可以想象的是，我们肯定不会把内含子称作垃圾了。

所以，从这两点来看，基因组暗物质是很有价值的。

1. 它给复制错误和随机重组提供了缓冲区。
2. 内含子在细胞缺乏营养的时候可以节省能量，帮助细胞度过危机时刻。

不过，暗物质最厉害的地方还不在这儿。你可能想不到，基因组的暗物质里，其实藏着许多基因的开关，这些基因的开关对生命的演化起到了至关重要的作用。可以说，没有暗物质里的演化，人类就不会出现。

3.基因大同论

为什么这么说呢？我们先来思考一个问题，为什么人是人，小鼠是小鼠呢？

上一讲我们提过，我们和小鼠的基因数目很相似，只有两万多个基因。其实，我们和小鼠的基因不仅数量相似，模样也很相似，序列相似度高达80%。

比如说，人和小鼠的细胞都需要消化葡萄糖产生能量，那么就需要一系列的蛋白酶来分解葡萄糖，产生能量。科学家发现，这些蛋白酶的基因在人和小鼠中几乎是一模一样的。如果我们把小鼠的这个基因换给人来用，估计完全没有问题，照样可以消化葡萄糖产生能量。

我把这个现象叫做“基因大同”。意思是我们和其他生物在基因本身的差别并不是很大，这可以用达尔文进化论来解释，我们都来自于共同的祖先。

如果是这样，那人和小鼠最根本的差别在哪儿呢？难道是暗物质吗

2003年，科学家马不停蹄地启动了继人类基因组计划后的第二个研究基因组的大科学计划，这就是“DNA元件百科全书计划（ENCODE）”。这个计划的英文缩写“ENCODE”就是“英文编码”的意思。这个计划就是希望研究，基因组里另外97%的部分究竟是什么。

通过DNA元件百科全书计划，我们得到了从细菌到人类的基因和暗物质统计图。从图里能看出两个结论。

• 第一，演化上越高等的动物，基因总数确实更多一些。比如，人类基因的总数比细菌和真菌要多。但是基因的总数从昆虫以后就达到两万多了，从昆虫，到鱼类和哺乳类，基因总数相差很小。
• 第二，基因组里不编码蛋白质部分所占的比例，就是基因组暗物质的占比，随着生物的演化出现了更明显的增多趋势。就是说，哺乳动物的基因总数跟鱼类和昆虫差不多，但是基因组里暗物质的比例高于昆虫和鱼类。

看来，生物在演化中的地位越高级，基因组暗物质就越多。而且，从统计图里，你也可以看到，小鼠和人类的暗物质数量其实差不多。这也难怪，它们都是哺乳动物嘛。

来自《垃圾DNA》，红线是基因占基因组的百分比，绿线是暗物质占基因组的百分比。

那我们继续思考，既然人和小鼠的基因数目差不多，暗物质的总数也差不多。那人跟小鼠的差别究竟出现在哪儿呢？

答案是，基因的开关。基因的开关是什么意思呢？

基因和基因的开关是两回事，基因的开关是在基因前后序列里面，这个前后序列就是暗物质的一部分。如果形象地描述一下，基因的打开姿势就像拉开拉链一样。

打开基因的管理者蛋白质就像拉开拉链的手，而基因的开关就好像拉链的头，在基因两侧。

我想强调一下，这个基因开关并不编码蛋白质，其实就是我们说的暗物质。

基因的开关有多重要呢？我给你举个例子。

之前我们提过，现代智人和尼安德特人的最重要的差别，是一个叫做MEF2A的基因表达出现了差别。智人和尼安德特人的MEF2A基因本身并没有差异，唯一的区别就是智人的基因开关出现了新的演变。智人的演化把MEF2A基因的开关调慢了，推迟了基因的表达，造就了智人可塑性更强的大脑。这个更聪明的大脑让智人统治了地球。

所以，基因组暗物质里的基因开关还是物种演化的关键。

对基因组暗物质的研究极大拓展了我们认识基因的视野。基因组让我们明白，暗物质是和基因同等重要的存在。看来，我们认识基因的道路还很长啊。

总结

这一讲，我们讲了视野的觉醒，揭秘了基因组里97%的暗物质到底有什么用。

1. 基因组暗物质提供了基因演化的缓冲区，让复制的突变和演化的重组不容易损坏基因本身。
2. 在环境恶劣的时候，暗物质里的内含子可以帮助生物体度过艰难时刻。
3. 人高等的原因在于基因的开关特殊，而非基因本身。基因的开关，就藏在基因组暗物质里。

思考题

对于基因组暗物质这种看上去不知道有什么作用，被忽视了几十年，然后发现作用巨大的例子，你在生活和工作中遇到过类似的情况吗？

欢迎在留言区与我分享。

下一讲，我们将会讲人类的最后一个觉醒，态度的觉醒。我们能不能主动选择，把更好的基因留给后代呢？下一讲见。