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【小島果蠅啟示錄】看似假基因,真的會表現 ?

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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/

果蠅染色體圖譜,來源:https://www.biostars.org/p/136057/

延伸閱讀:羅馬帝國也有瘧疾,首度由 DNA 確認

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:Ir75bIr31aOr35a。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。

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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.

(作者部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名的粉絲團《同名的粉絲團》,歡迎參觀、拍打、與餵食)

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