(圖:iStockphoto)

2012年,DNA 元素百科全書(the Encyclopedia of DNA Elements,ENCODE)公布,人類基因組中 80% 的序列具有生化功能。然而,美國休斯頓大學的進化生物學家 Dan Graur 在新發表的論文中稱,人類基因組序列中很可能只有 10%-15% 的基因具有功能,至多不會超過 25%。基因組中其餘的序列,都是無用及無害的垃圾 DNA(junk DNA)。

 

功能性基因和有害突變

人類基因組中的功能性部分指的是具有選擇效應(selected-effect)的序列,即在進化中,該序列功能出現後經歷了自然選擇並被保留下來。蛋白質編碼基因、RNA 指定基因和 DNA 受體基因都屬於此類基因。

在 Graur 教授的模型中,只有基因組中的功能性部分才會被有害突變(deleterious mutations)損害;如果有害突變發生在非功能性部分,其作用是中性的,因為這部分DNA序列既不會被損害,功能也不會被提高。

替換生育率

Graur 教授的計算方法,就用到了有害突變發生的機率,以及替換生育率(replacement fertility rate)。

簡單來說,假設人類基因組保持不變,父母的基因通過生殖細胞完美地複製到子女,那麼每對夫婦只要生育兩個小孩,就可以保持人口數量不變。但自然情況下,由於有害突變,每對夫婦生育的後代數量必須大於 2,人口數量才會保持不變。這一過程中,每對夫妻生育的後代數量,就是替換生育率。

全球人口數字。進化生物學家 Dan Graur 認為,人類具有功能的基因比率越高,人類人口越難增長。

研究結果

有了這兩個概念,再加上之前確定的基因組大小和功能性部分的有害突變率,以及人口數量的歷史數據,Graur 計算了由有害突變引起的生育下降,即「突變負荷」(mutational load)的數據。

Graur 說,在過去的 20 萬年中,替換生育率維持在每對夫婦 2.1-3.0 個孩子,全球人口數量保持穩定。直到 19 世紀初,新生兒死亡率顯著下降,人類的生育率開始超過替換水平。

Graur 的模型發現,隨著基因組功能性部分佔比增加,基因發生有害突變的機率亦隨之增加,導致替換生育率顯著增高。如果人類基因組中 80% 是功能性部分,即使有害突變率降到最低,每對夫婦要生育的後代數也將高得離譜:15 個後代,其中兩個還得死亡或不育。如果用最高的有害突變率(2*10e(-8))進行模擬,結果更令人咋舌:維持人口數量不變的替換生育率是可觀測宇宙內恆星數目的十倍之多!

基於這一計算,Graur 推斷基因組功能性部分的比例為 10%-15%,上限為 25%。

意義與評價

這項研究的計算方法畢竟有些簡單。Graur 希望,他們的成果可以幫助大家重新審視人類基因組的科學研究。我們需要了解其中的功能性部分,才能集中進行預防和治療疾病的生物醫學研究:「我們只要能分辨具有功能的 DNA 和垃圾 DNA,便沒有必要弄明白所有序列,只需要測定我們確認具有功能的那一部分即可。」

 

資料來源:

  1. Graur, D. (2017). An upper limit on the functional fraction of the human genome. Genome Biology and Evolution. doi:10.1093/gbe/evx121
  2. University of Houston. (2017, July). New limits to functional portion of human genome reported. Science Daily
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