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」

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

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。

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。

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？

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