文 / 寒波
近年來，隨著 DNA 定序技術越趨成熟，將整個基因體定序完的時間也逐漸縮短，加上強大的運算分析系統，使得生物資訊與基因體學更加蓬勃發展。然而，不論先進的技術再神通廣大，生物資訊終究根源於「生物」，研究和生命有關的各種現象，不僅只是依賴基因序列。
死去的基因－假基因
基因是攜帶生物遺傳訊息的單位。DNA 有「ATCG」4 種核苷酸（nucleotide），每 3 個核苷酸組成一種密碼子（codon），所以一共有 64 種密碼子。當中 61 種會對應 20 種氨基酸（amino acid），而氨基酸就是蛋白質的基本元件；剩下 3 種稱作「終止密碼子（stop codon）」，也就是「TAA」、「TAG」、「TGA」，當基因碰到終止密碼子時就會結束表現。
在基因體上，有些 DNA 序列看起來很像基因，卻不是真的基因。基因的編碼是每 3 個核苷酸為一組，若是其中插入或缺失 1 或 2 個核苷酸（frameshift mutation），讓序列不再是 3 的倍數，會導致基因後半段做出完全錯誤的氨基酸產物；另一種狀況是基因中某個位置突變，形成終止密碼子（nonsense mutation），造成基因提早結束表現。
以上兩種情形都會使本來正常的基因，不能再表現完整的蛋白質序列，很可能轉變為喪失原本功能的假基因（pseudogene，或稱偽基因）。最早為人知悉的假基因，於 1977 年時在非洲爪蟬（Xenopus laevis）發現 [1]。如今我們知道假基因並不罕見，在各種生物的基因體中普遍存在。它們是長期演化的結果，也可以是演化新變異的原料。
理論上，一個基因是真是假，只要有 DNA 序列就能判斷。然而最近的新發現卻顯示，現實世界恐怕沒有這麼簡單，光憑序列未必能正確識別假基因。
小島上的意外發現
這是個完全意料之外的發現。
果蠅（Drosophila）是常用於生物研究的模式生物之一，不過該「果蠅」指的其實是在全世界都有分佈的「黃果蠅（Drosophila melanogaster）」。黃果蠅有許多親戚，其中一種近親叫作「塞席爾果蠅（Drosophila sechellia）」，顧名思義，牠們來自非洲東部外海的塞席爾群島上。
和黃果蠅相比，塞席爾果蠅有些明顯的差別，其中之一是偵測醋酸（acetic acid）的能力。醋酸是揮發性的化學分子，黃果蠅偵測醋酸的能力相當好，塞席爾果蠅卻不太能感受醋酸。
果蠅擁有許多味覺、嗅覺的受器基因，以偵測外圍環境。過去我們已知，果蠅靠著觸角上的「antennal coeloconic 2（ac2）」細胞感受醋酸，這個細胞會表現 Ir75a 基因。Ir75a 的蛋白質產物對醋酸非常敏感，假如黃果蠅喪失 Ir75a，就會失去對醋酸的感應力。
塞席爾果蠅為什麼對醋酸無感？答案乍看之下，在基因序列上一目了然，因為塞席爾果蠅 Ir75a 基因序列的中間，有一個 C 突變為 T，而這個位置後面是 AA，也就是說，本來為 CAA 的密碼子，現在成了讓基因表現提早結束的終止密碼子 TAA。
「塞席爾果蠅喪失偵測醋酸的基因 Ir75a，也就喪失感受醋酸的能力」。如此推論雖然合情合理，可惜不符合實情，令人驚訝的是，針對其蛋白質產物的抗體，在塞席爾果蠅仍可抓到目標！這表示塞席爾果蠅的 Ir75a，其實是個完全正常運作的活基因，並不是不會表現、已經死掉的假基因 [2]。
果蠅染色體圖譜，來源：https://www.biostars.org/p/136057/
假的假基因，真的會表現
把塞席爾果蠅的 Ir75a 基因，擺進黃果蠅的基因組，即可測試此一基因的功能。結果顯示塞席爾果蠅的 Ir75a 序列中，儘管有一個終止密碼子 TAA，卻仍能表現出完整的蛋白質產物，而且把 TAA 換成另外兩種終止密碼子 TAG 或 TGA，也都能照樣表現，意謂這個基因在表現時，勢必有某種機制能夠讀過（read-trough）中間的終止密碼子，轉錄出完整的產物。
讓基因轉錄時能繼續表現，讀過提前終止訊號的方式目前仍不清楚。由 3 種終止密碼子都能讀過來看，終止密碼子本身似乎不影響這個過程；但進一步研究發現，假如把終止密碼子的下一個核苷酸位置 C 改成 A （由 TAAC 變成 TAAA），那麼基因的表現就真的會提早終止，可見讀過的機制，應該與下一個密碼子有關。
塞席爾果蠅的 Ir75a 能夠表現，但卻不像黃果蠅能夠偵測醋酸，關鍵因素到底為何？蛋白質的功能由其氨基酸序列決定，有些特定位置影響功能較大。比較兩種果蠅 Ir75a 的序列可知，在影響功能的關鍵位置上有 3 個氨基酸不同，把黃果蠅這 3 個氨基酸改成塞席爾果蠅的版本，黃果蠅也會喪失偵測醋酸的能力。
可見塞席爾果蠅之所以無法偵測醋酸，不是因為 Ir75a 變成無法表現的假基因，而是由於 Ir75a 產生突變，才喪失本來的功能。
也許沒那麼罕見
塞席爾果蠅的 Ir75a 光看序列是個假基因，實際卻會表現，論文將其稱作「假－假基因（pseudo-pseudogene）」。這個基因在另一種果蠅也能表現，表示此一現象不只侷限於單一物種；而且人為操作下，塞席爾果蠅的 Ir75a 在許多組織中都能順利表現，不只是觸角的 ac2 細胞。
假－假基因是 Ir75a 這個基因的特殊狀況嗎？論文最後調查數個黃果蠅的品系，尋找那些和 Ir75a 類似，序列中出現終止密碼子，看似假基因，卻仍能表現的基因，結果至少發現 3 個：Ir75b、Ir31a、Or35a。也就是說，在天然的果蠅族群中至少有 4 個感覺受器基因，只憑 DNA 序列判斷會以為假基因，實質上卻是活生生、會表現的基因。
多數生物的基因組中都有大把的假基因，但以上研究的發現暗示著，假－假基因在天然狀態下或許並不罕見，甚至可能普遍存在，不過其分子機制仍有待研究。假－假基因對基因表現與功能的影響，以及在基因演化上所扮演的角色，將是未來值得學界重視的主題。
此研究也告訴我們，生命總是充滿驚喜，在發達的基因定序與生物資訊分析之外，若忽略實質的生物，勢必無法認識生命世界的全貌。而這回出乎意料的重大發現，來自默默無聞的塞席爾果蠅，對於汲汲營營尋找研究題材的科學家們，帶來回歸生命本質，重視基礎研究的啟發。
福島繩文人DNA 揭露日本史的未知境地©www.geneonline.news. All rights reserved. 基因線上版權所有 未經授權不得轉載。合作請聯繫：service@geneonlineasia.com
參考文獻：
1. Evolutionary Genetics: Smells like a Pseudo-pseudogene
2. Prieto-Godino, L. L., Rytz, R., Bargeton, B., Abuin, L., Arguello, J. R., Dal Peraro, M., & Benton, R. (2016). Olfactory receptor pseudo-pseudogenes. Nature, 539(7627), 93-97.
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