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有越複雜的器官會有更多基因?植物基因數量往往是動物的2倍

2021-09-22 17:13鷹出版 作者/尼爾・蘇賓

儘管人類和線蟲的細胞數量、器官複雜性,以及身體部位的差異都很大,但是人類和線蟲基...
儘管人類和線蟲的細胞數量、器官複雜性,以及身體部位的差異都很大,但是人類和線蟲基因的數量卻是差不多的,大約都是兩萬個。 圖/ingimage

缺乏基因的基因組

當年與美國總統柯林頓和英國首相布萊爾一起出席記者會的,是兩個定序人類基因組的競爭團隊之領導者—政府支持的計畫由法蘭西斯.柯林斯(Francis Collins)領導,私人資助的計畫則由克雷格.凡特(Craig Venter)指揮,而他們拿出來公布的只是簡單的基因組草圖。儘管當時基因組的公布轟動一時,不過在2000 年的記者會中,基因組中還有許多區域沒有定序出來,而且幾乎不清楚哪些區域對於人類的健康與發育而言是重要的。

人類基因組計畫(Human Genome Project)最初的結果, 重點在於技術而非基因組。定序人類基因組的競賽引發的技術狂熱仍延續至今。1965 年,戈登.摩爾(Gordon Moore)對於微處理器的處理速度做出了著名的預言:每兩年速度會倍增。我們每次購買數位產品時都能感受到這種加速的結果:每年電腦和手機的處理速度都更快,價格也更便宜。基因組技術進展的速度甚至輾壓過微處理器的速度—人類基因組計畫耗資美金三十八億,所需的機器能填滿好幾個房間,花了十幾年才完成。但現在已經有可以定序的手機程式,市場上也有販售手持式基因定序儀。

人類基因組圖譜完成後,每年都有其他物種的基因組圖譜完成。現在基因組定序的速度之快,唯一能減緩發表速度的是科學期刊的出版週期。我們有小鼠基因組計畫、百合花基因組計畫、蛙類基因組計畫,從病毒到靈長類的生物體全都有基因組計畫。剛開始有個物種的基因組發表可是重大事件,會刊登在一流期刊上,媒體也會大肆宣揚。時至今日,除非牽涉到重要的生物過程或是關乎健康議題,新基因組圖譜的發表基因已經不值一提。

儘管定出基因組圖譜的論文逐漸失去光彩,但依然是能讓祖克康德、鮑林和威爾森高興與著迷的金礦。我們現在有了果蠅、小鼠和人類的基因組資料,能夠從中找尋生命的核心問題:物種之間的親緣關係究竟如何,以及讓各個物種不同的原因是什麼?

每個人的身體中有數兆個細胞,肌肉、神經、骨骼,與其他數百種組織彼此合作,它們全都位於適當的位置上,並以正確的方式連結。線蟲(Caenorhabditis elegans)只有九百五十六個細胞,如果這還不讓你感到驚訝,想想這個:

儘管人類和線蟲的細胞數量、器官複雜性,以及身體部位的差異都很大,但是人類和線蟲基因的數量卻是差不多的,大約都是兩萬個。

而且不光是線蟲如此,果蠅的基因數量也和人類差不多。事實上,就基因數量來說,與稻米、黃豆、玉米和樹薯相比,動物都輸了,植物的基因數量往往是動物的兩倍—在動物界中,讓複雜的新器官、組織和行為演化出來的,並不是更多的基因。

更奇特的是基因組本身的組織方式。記得之前提到的規矩嗎?基因由一連串鹼基所組成,能夠轉錄成一串胺基酸,這些胺基酸序列是蛋白質的密碼。基本上,基因內含了蛋白質的分子模板。當某個基因序列發表了之後,作者得把序列資料公開並上傳到國家的電腦資料庫。幾十年來的基因研究,讓這個資料庫擴增的速度非常快,裡面有幾千個物種中無數個基因的資料。現在你可以坐在電腦桌前,只要輸入一串序列,就能看看哪個物種的哪個基因與這串序列相符。當你能用整個基因組比對資料庫中的基因序列,便可以從比對結果得知基因組中有哪些基因。過去二十年來,基因組序列一個個出籠,有個結果全無例外—就是基因組中的基因很少。如果基因組中的基因具備的是用來製造蛋白質的密碼,那麼基因組的絕大多數片段都沒有辦法用來製造蛋白質。人類基因組中只有2% 的區域中有蛋白質密碼,剩下的98% 中沒有基因。

基因是DNA 汪洋中的島嶼,除了極少數的例外,這個模式適用於線蟲,也適用於小鼠。如果基因組的大部分區域中沒有製造蛋白質的密碼,那要用來做什麼?

把基因組想成食譜,而基因密碼代表了材料,開關則代表何時使用那些材料的指示。如果基...
把基因組想成食譜,而基因密碼代表了材料,開關則代表何時使用那些材料的指示。如果基因組的2% 是由能製造蛋白質的基因所組成,其他的98% 則是告訴基因何時與何處要啟動的資訊。 圖/ingimage

細菌來救場

富蘭索瓦.賈可布(François Jacob,1920~2013)和賈克. 莫納德(Jacques Monod,1910~1976)這兩位生物學家在二次大戰後,從法國反抗軍中退役,開始研究細菌消化糖類的過程。如果說有什麼科學問題比這個更象牙塔式、與人類健康關係更疏遠的,應該是沒有。

賈可布和莫納德指出,常見的細菌—大腸桿菌(Escherichia coli),能消化所處環境中的兩種糖類,一種是葡萄糖,另一種是乳糖。細菌的基因組相當簡單,一長串的基因中含有能製造消化每種糖類所需蛋白質的資訊。如果環境中葡萄糖多、乳糖少,基因組就會製造消化葡萄糖的蛋白質。如果狀況反過來,基因組則會製造消化乳糖相關的蛋白質。這種狀態看起來簡單又顯而易見,但是其中的基本機制卻為生物學帶來了革命。

科學家發現細菌基因組中的兩類區域。在第一類區域中, 這些基因包含了製造消化兩種糖類所需蛋白質的資訊。其中的A、T、G、C 序列會轉譯成胺基酸序列,組成蛋白質。基因與基因之間的序列也是由A、T、G、C 所組成,但是比較短, 其中並沒有製造蛋白質的密碼。當其他的分子附著到這些序列上,可能開啟或是關閉基因,這是第二類區域。你可以把這些比較短的區域想像成分子開關,它們會控制基因去製造蛋白質。在細菌的基因組中,基因和控制該基因的區域彼此相鄰。

賈可布和莫納德發現,細菌的基因組本身就是一種生物性的製造工序,能在適當的時候製造適當的蛋白質。基因組有兩個區域,一個是編碼蛋白質的基因,另一個是告知哪種基因在何時應該啟動的序列。兩人因為這方面的研究,於1965 年獲頒諾貝爾生理醫學獎。

賈可布和莫納德得到諾貝爾獎後幾十年當中,科學家發現這個蛋白質製造程序的雙重組織特性,是所有基因組的共同特徵。動物、植物和真菌全都有編碼蛋白質的基因,以及控制基因開啟關閉的分子開關。

他們的發現提供了瞭解細胞、組織與器官之間區別的線索。人類的身體架構嚴密,具有四兆個細胞,組成了兩百多種組織,形成了骨骼與腦部、肝臟和骨架等等。軟骨組織的細胞能製造膠原蛋白(collagen)、蛋白多醣(proteoglycan)和其他成分。這些成分能和水與礦物質結合,讓軟骨柔軟但又具備支持的力量。不同的蛋白質組合讓神經細胞與軟骨、肌肉或是骨骼中的細胞各個不同。

然而重點在於,身體中每個細胞含有的DNA 序列全都相同,都是由受精卵演變而成。神經細胞中的DNA 基本上與軟骨、肌肉或是骨骼中的細胞都是一樣。如果每個細胞所含的基因相同,那麼讓細胞不同的,就在於是哪些基因活動起來製造蛋白質。賈可布和莫納德所發現的開關,對於瞭解基因組打造不同的細胞、組織與身體而言極為重要。

把基因組想成食譜,而基因密碼代表了材料,開關則代表何時使用那些材料的指示。如果基因組的2% 是由能製造蛋白質的基因所組成,其他的98% 則是告訴基因何時與何處要啟動的資訊。

但是基因組如何打造出身體呢?在生物演化史中又如何讓物種出現變化?在人類基因組計畫的時代,沒人知道這點。但有少數基因在基因組中很罕見,像是冰山一角,造成了許多驚奇。

※ 本文摘自《我們身體裡的生命演化史》。


《我們身體裡的生命演化史》

作者:尼爾・蘇賓

譯者:鄧子衿

出版社:鷹出版

出版日期:2021/07/28

《我們身體裡的生命演化史》書封。 圖/鷹出版提供
《我們身體裡的生命演化史》書封。 圖/鷹出版提供

蛋白質
遺傳基因
DNA

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