經(jīng)過將近5000億次的嘗試，美國(guó)德克薩斯大學(xué)（UT）奧斯汀分校的研究人員，見證了一個(gè)罕見的事件，也許解決了一個(gè)進(jìn)化的難題：內(nèi)含子——位于基因中的非編碼DNA序列，在基因組中是如何增加的。研究結(jié)果發(fā)表在《PNAS》雜志上，解決了關(guān)于新物種進(jìn)化的基本問題，并可以增進(jìn)我們對(duì)于“基因表達(dá)以及癌癥等疾病的原因”的理解。

分子生物科學(xué)副教授Scott Stevens說：“直到現(xiàn)在，研究人員可以跟蹤內(nèi)含子進(jìn)化的唯一方法是，通過系統(tǒng)進(jìn)化分析，檢測(cè)相關(guān)生物組之間的進(jìn)化關(guān)系。我們的工作第一次通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明內(nèi)含子如何可以被調(diào)入一個(gè)有機(jī)體內(nèi)。”

很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，科學(xué)家們已經(jīng)知道，在任何給定的生物體基因組中，大部分的DNA不編碼功能分子或蛋白質(zhì)。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)，這些基因序列——在過去被誤稱為“垃圾”DNA，卻往往有著有功能意義。例如，2015年12月在《Journal of Neuroscience》發(fā)表的一項(xiàng)研究表明，阻斷一種被稱為“垃圾DNA”所產(chǎn)生的RNA，可以阻止中風(fēng)后一部分重要神經(jīng)的破壞（垃圾DNA不再垃圾 有重要作用）。今年3月份，來自美國(guó)猶他大學(xué)醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們?cè)凇?span lang="EN-US">Science》發(fā)表的一項(xiàng)新研究中證實(shí)，進(jìn)化改變其中一些病毒殘余物的用途，使之成為了對(duì)付病毒自身的武器。

這些內(nèi)含子也不例外?，F(xiàn)在，已知內(nèi)含子在基因表達(dá)中發(fā)揮作用，它們是一部分基因序列，在基因翻譯成蛋白質(zhì)之前被從RNA上去掉或移除。當(dāng)真核生物首次與細(xì)菌發(fā)生分化，有大規(guī)模的內(nèi)含子入侵到基因組中。所有活著的真核生物——從酵母到哺乳動(dòng)物——都分享這共同的祖先，而像酵母這樣的簡(jiǎn)單生物，移除了其大部分的內(nèi)含子，像哺乳動(dòng)物這樣的生物已大大擴(kuò)充了內(nèi)含子庫(kù)存。人類有超過200000個(gè)內(nèi)含子，占據(jù)基因組的大約40%。

在當(dāng)前的研究中，Stevens與UT奧斯汀分校前研究生Sujin Lee，使用一種新的報(bào)告實(shí)驗(yàn)，直接檢測(cè)芽酵母(釀酒酵母)中的內(nèi)含子的得失。該研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了近5000億個(gè)酵母，發(fā)現(xiàn)只有兩個(gè)例子中內(nèi)含子被添加到一個(gè)新的基因。這種添加的機(jī)制，是一個(gè)剪接反應(yīng)的逆轉(zhuǎn)。

通常，為了制造蛋白質(zhì)，RNA從DNA中讀取指令，跳過內(nèi)含子中包含的代碼。但是在這兩種情況下，細(xì)胞讀取相反方向的DNA，并允許內(nèi)含子將其制成RNA，因此創(chuàng)建了一個(gè)永久的遺傳變化。這些被稱為內(nèi)含子獲得，如果隨著時(shí)間的推移進(jìn)行積累，它們可能導(dǎo)致新物種以及人類疾病的發(fā)展。

Stevens說：“我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)含子繼續(xù)增加，盡管在任何時(shí)間點(diǎn)上很少發(fā)生。但是，內(nèi)含子可以驅(qū)動(dòng)進(jìn)化嗎？如果這些序列給生物一種選擇性優(yōu)勢(shì)，并固定在一個(gè)種群中，其他人已經(jīng)表明，它可能就是創(chuàng)造新物種的一個(gè)主要因素。”

然而，這些進(jìn)化進(jìn)步也是要付出代價(jià)的，因?yàn)榘┌Y這樣的疾病，與內(nèi)含子從RNA的不當(dāng)去除有關(guān)。Stevens補(bǔ)充說：“我們正在繼續(xù)這項(xiàng)工作，以進(jìn)一步了解這個(gè)過程如何影響我們的遺傳歷史、我們的未來和治愈疾病的前景。”