Nature：被丢失的“垃圾”DNA

　　

生物通报道  在人类基因组中，基因只占据2%的序列，其余的均是由称作非编码DNA的遗传物质构成。科学家们多年来一直试图解开这一谜团：为何基因组中会存在如此庞大数量的这种遗传物质？

现在，一项新研究带来了出乎意料的新发现：绝大多数的非编码DNA也许确实并非复杂生命所需。这一研究发表在 5月12日的《自然》（Nature）杂志上。

线索就存在于食肉狸藻类植物——丝叶狸藻（Utricularia gibba）基因组中。

丝叶狸藻基因组是迄今为止最小的，被测序复杂、多细胞植物基因组。测序人员称发现97%的丝叶狸藻基因组都是由基因构成，并且一些小DNA片段控制着这些基因。

科学家们说，看起来这一植物数代都一直在忙于从遗传物质中删除非编码的“垃圾”DNA。这或许可用于解释狸藻类植物、玉米和烟草等富含垃圾DNA的物种，以及人类之间的差异。
   
该研究的领导者之一、纽约州立大学布法罗分校生物科学教授Victor Albert说：“故事的重要部分在于，狸藻类植物的遗传物质中只有3%是所谓的‘垃圾’DNA。不知何故，这种植物清除了构成植物基因组的大部分DNA，换句话说你可以获得一株极好的多细胞植物，它有大量不同的细胞、器官、组织类型以及花，并且它可以没有垃圾DNA。因为这些垃圾是不需要的。”

非编码DNA就是不编码任何蛋白质的DNA。它包括称作为跳跃基因的移动元件，这些跳跃基因具有拷贝（或切割）以及将自身粘贴到基因组新位点中去的能力。

科学家们投入了无数的时间来解答非编码DNA以如此大数量存在的疑惑。近期来自国际研究项目ENCODE的一系列论文开始为我们提供一种解释：绝大多数（大约80%）的非编码DNA似乎在许多生物化学功能中起重要作用，例如调控和促进DNA转录为RNA。

然而Albert 、Luis Herrera-Estrella和同事们认为，生物体不可能出于利益原因只大量囤积遗传垃圾。

相反，他们认为，一些物种有可能会存在一种内在的机制，偏向删除大量的非编码DNA；而另一些物种则存在一种相反的内在机制，偏向插入和复制DNA。这些偏向并非是由于一种行为方式比另一种更有益，而是两种固有的方式均起作用，所有的生物只是在不同程度上利用它们。生物体在这一浮动计算尺上所占据的位置，部分取决于达尔文自然选择压力能够对抗或增进这些内在偏倚的程度。

新的丝叶狸藻基因组表明，拥有一堆非编码DNA对于复杂生命而言并非至关重要。狸藻类植物是一种反常的复杂植物。它生活在如淡水湿地这样的水生环境中，形成了相应的高度特化的狩猎方法。为了捕食猎物，植物要抽出气囊（bladder）中的水，使其变成真空，从而能够吸入和捕捉生物。

研究人员说，丝叶狸藻基因组有大约8000万个DNA碱基对，相比于丝叶狸藻的近亲葡萄和西红柿分别有着4.9亿和7.8亿个碱基对的大基因组，这一数值明显要小得多，而非编码DNA的删除似乎导致了大多数这样的大小偏差。但丝叶狸藻却拥有28,500个基因，其数量与葡萄和西红柿相当。

更令人惊讶的是，丝叶狸藻的基因组虽小，然而自从它的进化谱系与西红柿分离开来，却发生了3轮全基因组复制（whole-genome duplications ，WGDs)。

这表明在进化过程的3个不同时期，狸藻类植物基因组大小进行了翻倍，子代获得了两个完全拷贝的物种全基因组。“这种惊人丰富的复制史，结合当前狸藻类植物基因组较小的事实，进一步表明，植物一直在大量删除不必要的DNA，同时保留了了与其他植物物种相似的一组功能性的基因，”Herrera-Estrella说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Architecture and evolution of a minute plant genome

It has been argued that the evolution of plant genome size is principally unidirectional and increasing owing to the varied action of whole-genome duplications (WGDs) and mobile element proliferation1. However, extreme genome size reductions have been reported in the angiosperm family tree. Here we report the sequence of the 82-megabase genome of the carnivorous bladderwort plant Utricularia gibba. Despite its tiny size, the U. gibba genome accommodates a typical number of genes for a plant, with the main difference from other plant genomes arising from a drastic reduction in non-genic DNA. Unexpectedly, we identified at least three rounds of WGD in U. gibba since common ancestry with tomato (Solanum) and grape (Vitis). The compressed architecture of the U. gibba genome indicates that a small fraction of intergenic DNA, with few or no active retrotransposons, is sufficient to regulate and integrate all the processes required for the development and reproduction of a complex organism.