文 / 寒波
近年来，随着 DNA 定序技术越趋成熟，将整个基因体定序完的时间也逐渐缩短，加上强大的运算分析系统，使得生物资讯与基因体学更加蓬勃发展。然而，不论先进的技术再神通广大，生物资讯终究根源于“生物”，研究和生命有关的各种现象，不仅只是依赖基因序列。
死去的基因－假基因
基因是携带生物遗传讯息的单位。DNA 有“ATCG”4 种核苷酸（nucleotide），每 3 个核苷酸组成一种密码子（codon），所以一共有 64 种密码子。当中 61 种会对应 20 种氨基酸（amino acid），而氨基酸就是蛋白质的基本元件；剩下 3 种称作“终止密码子（stop codon）”，也就是“TAA”、“TAG”、“TGA”，当基因碰到终止密码子时就会结束表现。
在基因体上，有些 DNA 序列看起来很像基因，却不是真的基因。基因的编码是每 3 个核苷酸为一组，若是其中插入或缺失 1 或 2 个核苷酸（frameshift mutation），让序列不再是 3 的倍数，会导致基因后半段做出完全错误的氨基酸产物；另一种状况是基因中某个位置突变，形成终止密码子（nonsense mutation），造成基因提早结束表现。
以上两种情形都会使本来正常的基因，不能再表现完整的蛋白质序列，很可能转变为丧失原本功能的假基因（pseudogene，或称伪基因）。最早为人知悉的假基因，于 1977 年时在非洲爪蝉（Xenopus laevis）发现 [1]。如今我们知道假基因并不罕见，在各种生物的基因体中普遍存在。它们是长期演化的结果，也可以是演化新变异的原料。
理论上，一个基因是真是假，只要有 DNA 序列就能判断。然而最近的新发现却显示，现实世界恐怕没有这么简单，光凭序列未必能正确识别假基因。
小岛上的意外发现
这是个完全意料之外的发现。
果蝇（Drosophila）是常用于生物研究的模式生物之一，不过该“果蝇”指的其实是在全世界都有分布的“黄果蝇（Drosophila melanogaster）”。黄果蝇有许多亲戚，其中一种近亲叫作“塞舌尔果蝇（Drosophila sechellia）”，顾名思义，牠们来自非洲东部外海的塞舌尔群岛上。
和黄果蝇相比，塞舌尔果蝇有些明显的差别，其中之一是侦测醋酸（acetic acid）的能力。醋酸是挥发性的化学分子，黄果蝇侦测醋酸的能力相当好，塞舌尔果蝇却不太能感受醋酸。
果蝇拥有许多味觉、嗅觉的受器基因，以侦测外围环境。过去我们已知，果蝇靠着触角上的“antennal coeloconic 2（ac2）”细胞感受醋酸，这个细胞会表现 Ir75a 基因。Ir75a 的蛋白质产物对醋酸非常敏感，假如黄果蝇丧失 Ir75a，就会失去对醋酸的感应力。
塞舌尔果蝇为什么对醋酸无感？答案乍看之下，在基因序列上一目了然，因为塞舌尔果蝇 Ir75a 基因序列的中间，有一个 C 突变为 T，而这个位置后面是 AA，也就是说，本来为 CAA 的密码子，现在成了让基因表现提早结束的终止密码子 TAA。
“塞舌尔果蝇丧失侦测醋酸的基因 Ir75a，也就丧失感受醋酸的能力”。如此推论虽然合情合理，可惜不符合实情，令人惊讶的是，针对其蛋白质产物的抗体，在塞舌尔果蝇仍可抓到目标！这表示塞舌尔果蝇的 Ir75a，其实是个完全正常运作的活基因，并不是不会表现、已经死掉的假基因 [2]。
果蝇染色体图谱，来源：https://www.biostars.org/p/136057/
假的假基因，真的会表现
把塞舌尔果蝇的 Ir75a 基因，摆进黄果蝇的基因组，即可测试此一基因的功能。结果显示塞舌尔果蝇的 Ir75a 序列中，尽管有一个终止密码子 TAA，却仍能表现出完整的蛋白质产物，而且把 TAA 换成另外两种终止密码子 TAG 或 TGA，也都能照样表现，意谓这个基因在表现时，势必有某种机制能够读过（read-trough）中间的终止密码子，转录出完整的产物。
让基因转录时能继续表现，读过提前终止讯号的方式目前仍不清楚。由 3 种终止密码子都能读过来看，终止密码子本身似乎不影响这个过程；但进一步研究发现，假如把终止密码子的下一个核苷酸位置 C 改成 A （由 TAAC 变成 TAAA），那么基因的表现就真的会提早终止，可见读过的机制，应该与下一个密码子有关。
塞舌尔果蝇的 Ir75a 能够表现，但却不像黄果蝇能够侦测醋酸，关键因素到底为何？蛋白质的功能由其氨基酸序列决定，有些特定位置影响功能较大。比较两种果蝇 Ir75a 的序列可知，在影响功能的关键位置上有 3 个氨基酸不同，把黄果蝇这 3 个氨基酸改成塞舌尔果蝇的版本，黄果蝇也会丧失侦测醋酸的能力。
可见塞舌尔果蝇之所以无法侦测醋酸，不是因为 Ir75a 变成无法表现的假基因，而是由于 Ir75a 产生突变，才丧失本来的功能。
也许没那么罕见
塞舌尔果蝇的 Ir75a 光看序列是个假基因，实际却会表现，论文将其称作“假－假基因（pseudo-pseudogene）”。这个基因在另一种果蝇也能表现，表示此一现象不只侷限于单一物种；而且人为操作下，塞舌尔果蝇的 Ir75a 在许多组织中都能顺利表现，不只是触角的 ac2 细胞。
假－假基因是 Ir75a 这个基因的特殊状况吗？论文最后调查数个黄果蝇的品系，寻找那些和 Ir75a 类似，序列中出现终止密码子，看似假基因，却仍能表现的基因，结果至少发现 3 个：Ir75b、Ir31a、Or35a。也就是说，在天然的果蝇族群中至少有 4 个感觉受器基因，只凭 DNA 序列判断会以为假基因，实质上却是活生生、会表现的基因。
多数生物的基因组中都有大把的假基因，但以上研究的发现暗示著，假－假基因在天然状态下或许并不罕见，甚至可能普遍存在，不过其分子机制仍有待研究。假－假基因对基因表现与功能的影响，以及在基因演化上所扮演的角色，将是未来值得学界重视的主题。
此研究也告诉我们，生命总是充满惊喜，在发达的基因定序与生物资讯分析之外，若忽略实质的生物，势必无法认识生命世界的全貌。而这回出乎意料的重大发现，来自默默无闻的塞舌尔果蝇，对于汲汲营营寻找研究题材的科学家们，带来回归生命本质，重视基础研究的启发。
福岛绳文人DNA 揭露日本史的未知境地©www.geneonline.news. All rights reserved. 基因线上版权所有 未经授权不得转载。合作请联系：service@geneonlineasia.com
参考文献：
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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