【小岛果蝇启示录】看似假基因,真的会表现 ?

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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/

果蝇染色体图谱,来源:https://www.biostars.org/p/136057/

延伸阅读:罗马帝国也有疟疾,首度由 DNA 确认

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:Ir75bIr31aOr35a。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。

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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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