零距離科學:基因序列不代表一切,真正影響身體機能的是「開關」

零距離科學:基因序列不代表一切,真正影響身體機能的是「開關」
被加上甲基標籤的基因區域,會很難被「打開」和被翻譯成RNA,等同於基因被「關閉」。
我們想讓你知道的是

科學界曾經認為製作身體各部份和控制各種新陳代謝的元件,都編寫在人類基因圖譜中只佔2%的編碼區裡,但越來越多研究發現,這些基因的序列並不代表一切,真正影響身體機能的是這些基因是「開」還是「關」。 

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文:馬學綸(香港中文大學微生物學系博士)
圖:香港電台

在「垃圾」DNA中尋寶——基因「開關」與表觀遺傳學

科學界曾經認為製作身體各部分和控制各種新陳代謝的元件,都編寫在人類基因圖譜中只佔2%的編碼區裡,但越來越多研究發現,這些基因的序列並不代表一切,真正影響身體機能的是這些基因是「開」還是「關」。

教條不能解釋的狀況——是「變」也是「量」

經典生物學中有一條「中央教條」(Central Dogma),所說的是生物資訊的傳遞,是由DNA傳到RNA,再由RNA傳到蛋白質,傳遞方向是不會反過來的(雖然在反轉錄病毒入侵宿主細胞時會有RNA傳到DNA的情況,但在生物界中屬於少數)。按此推論,如果要改變一個人的身體狀況,就先要找出這身體狀況的分子機制,例如是由哪種酶(蛋白質)控制的新陳代謝,再改變那種酶的活性。

由這種酶的基因(DNA)開始更改,令產生的RNA同樣被更改,使後來按著RNA資訊來組合的胺基酸種類和排列產生變化。一顆蛋白質分子的功用取決於它的立體形狀,像是能讓甚麼分子嵌入,會和甚麼分子連結在一起等,改變胺基酸排列會直接改變蛋白質的立體形狀,令功用也改變。在一般情況下,酶的形狀是跟要產生作用的分子「完美嵌合」的,所以基因中鹼基(A/T/C/G)的改變(或稱突變)會令酶的功用降低,令新陳代謝效率也降低。

然而,往往被忽略的因素,是酶本身的生產,即使是立體形狀「正確」的酶,數目太少會「不夠用」,數目太多會「做過頭」,到頭來都會引致那種酶控制的新陳代謝失衡。所以,基因是「開」還是「關」,甚至可以比基因有沒有突變重要。

生物界的雙生兒悖論——相同基因組下發生的癌症
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同卵雙胞胎的身體狀態不一定完全相同,這代表有基因組以外的因素,影響著人類的身體狀況。

研究在相同鹼基排列下,基因表達(產生相應蛋白質)的不同的學科,稱為表觀遺傳學(Epigenetics)。其中一個常見的研究方法,是追蹤同卵雙胞胎,因為他們來自同一顆受精卵,所以他們的基因組(DNA)是百份百相同的,他們的身體狀態的不同,就只能源於生物資訊傳遞的過程或外在環境的影響。研究顯示,一對同卵雙胞胎會患上同一種癌症的機率少於百份之十,可見表觀遺傳學的影響有多大。

另一方面,科學家發現在2%的編碼區中,其實是有能消滅癌細胞的基因的,問題在於這基因是「開」還是「關」,若此基因被「關」,就很有機會引發癌症。於是,開始有科學家推斷,只要把這個基因「重啟」,就能預防,甚至治癒癌症。

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科學家相信,每個人的基因組都有能消滅癌細胞的基因,問題是有沒有「開啟」。
基因「開關」的真面目——DNA甲基轉移酶

演化就是這麼神奇,人類知識上「後知後覺」的事情,在人類的身體裡已「早有預備」。當科學家從2%的編碼區中找到二萬個基因,也漸漸意識到每個基因都有其相應的「開關」,正正就散落在98%的「垃圾」非編碼區裡。問題是,同是DNA,非編碼區DNA又如何阻礙編碼區DNA運作?答案是,物理上的「阻礙」。

其中一種常見的情況,是一種稱為「DNA甲基轉移酶」做的「好事」。這種酶能往編碼區DNA的特定鹼基加上標籤,甲基(-CH3),結果是令這部分的基因很難被使用,DNA中的資訊不能傳遞出去,變相就是令該基因「關上」,在沒有鹼基突變的情況下,改變了相關的新陳代謝。

下一個問題是,我們能否控制DNA甲基轉移酶,把標籤加在哪個基因上,又能不能把標籤除去,把基因「重啟」?

尋找「手動開關」——生活方式如何影響基因表達

這些發現啟發了一系列後續研究,例如進食健康食品或多做運動能否把某些「開關」重啟,而研究結果亦很正面。

有一班科學家甚至把這類研究推得更前,他們觀察了一對同卵雙生的太空人,一個留在地上過一年,一個在太空站上生活一年,其間一直抽取血液樣本。研究發現,在潛在於98%非編碼DNA中的二萬個基因「開關」,竟然有九千個被「重啟」,可見人類在無重力和高劑量輻射環境下,能自行調節每個基因是否被表達,即製造相應的蛋白質。

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科學家正研究後天的努力,例如經常運動,能否把基因「重啟」,並遺傳給下一代。

另一個意想不到的發現,是原來這些標籤是能遺傳的。其中一個實驗是這樣的,科學家一方面給老鼠聞一種特別的氣味,同時找東西嚇牠們,產生壓力反應,而老鼠的下一代單是聞到那種氣味就會產生壓力反應,而這種反應,正正就是通過在相應基因加上標籤產生,而這些標籤能通過精子或卵子直接傳給下一代。

那麼,要怎樣解釋身體有這種機制?

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實驗顯示,食量大的老鼠,能把容易致肥的身體狀態遺傳給下一代。
演化之路上的記憶——為下一代預先「重啟」基因

科學家在一批農戶身上發現,若果一代人在農作物豐收的時期成長,他們會較易出現肥胖和其他新陳代謝病症,而他們的下一代,甚至是下兩代,即使在農作物產量差的時期成長,也同樣要面對肥胖和新陳代謝疾病問題。

這看似是「壞事」,但其實是演化來「保命」的。在農業時代開始之前,甚至是形成初期,食物供應很不穩定,如果能在食物充足時儲備資源,到食物不足時,生存率就能提高。然而,這代表跟儲備脂肪和減慢新陳代謝的基因被「重啟」,並把標籤通過精子遺傳給下一代,再下一代,使子孫未出生已得到仙祖留下來的「生物資訊」。

人類的遺傳不只是把基因組直接傳給下一代,而是同時把哪些基因有利於存活的資訊,以表觀遺傳學的形式,把生活經驗也同時傳承下去。今集《零距離科學》,會和大家探討各個表觀遺傳學實驗如何進行,以及發現基因「開關」後的各種可能性。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於3月20日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

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責任編輯︰Alvin
核稿編輯︰Alex