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引入“黑暗DNA”这种现象可能会改变我们对进化的看法

2019-05-31 14:05:03 • 来源：

DNA测序技术正在帮助科学家揭开几个世纪以来人类一直在询问动物的问题。通过绘制动物基因组图谱，我们现在可以更好地了解长颈鹿如何获得巨大的颈部，以及蛇为何如此长。基因组测序使我们能够比较和对比不同动物的DNA，并以自己独特的方式研究它们是如何进化的。

引入“黑暗DNA”这种现象可能会改变我们对进化的看法

但在某些情况下，我们面临着一个谜。一些动物基因组似乎缺少某些基因，这些基因出现在其他类似物种中，必须存在才能使动物保持活力。这些明显缺失的基因被称为“黑暗DNA”。它的存在可以改变我们对进化的思考方式。

我和我的同事在对沙鼠(Psammomys obesus)(一种生活在沙漠中的沙鼠)的基因组进行测序时首次遇到这种现象。特别是我们想研究与胰岛素生成相关的沙鼠基因，以了解为什么这种动物特别容易患2型糖尿病。

但是，当我们寻找一种控制胰岛素分泌的称为Pdx1的基因时，我们发现它缺失了，围绕它的其他87个基因也是如此。这些缺失的基因中的一些，包括Pdx1，是必不可少的，没有它们，动物就无法生存。那他们在哪儿?

第一个线索是，在沙鼠的几个身体组织中，我们发现了来自“缺失”基因的指示所产生的化学产品。只有当基因存在于基因组中的某个位置时，这才有可能实现，这表明它们并非真正缺失而只是隐藏。

这些基因的DNA序列非常富含G和C分子，构成DNA的四个“碱基”分子中的两个。我们知道富含GC的序列会导致某些DNA测序技术出现问题。这使得我们寻找的基因更有可能难以检测而不是遗漏。出于这个原因，我们称之为隐性序列“暗DNA”作为参考，以暗物质，我们认为构成了宇宙的25%左右，但我们不能实际检测的东西。

通过进一步研究沙鼠基因组，我们发现它的一部分尤其具有比其他啮齿动物基因组中发现的更多的突变。该突变热点内的所有基因现在都具有非常富含GC的DNA，并且已经突变至使用标准方法难以检测的程度。过度突变通常会阻止基因工作，但不管怎样，尽管DNA序列发生了根本性的变化，沙鼠的基因仍然能够发挥作用。这对基因来说是一项非常艰巨的任务。这就像只使用元音赢得倒计时一样。

以前在鸟类中发现过这种黑暗的DNA。科学家们发现，目前有序的鸟类基因组中有274个基因“缺失”。这些包括瘦素(一种调节能量平衡的激素)的基因，科学家多年来一直无法找到它。这些基因再次具有非常高的GC含量，并且它们的产物存在于鸟类的身体组织中，即使这些基因似乎在基因组序列中缺失。

在黑暗的DNA上脱落光

大多数教科书对进化的定义表明它发生在两个阶段：突变，然后是自然选择。DNA突变是一种常见且连续的过程，完全随机发生。然后自然选择用于确定突变是否被保留和传递，通常取决于它们是否导致更高的繁殖成功。简而言之，突变会产生生物体DNA的变异，自然选择决定它是否停留或是否存在，从而偏向进化的方向。

但是基因组中高突变的热点意味着某些位置的基因比其他位点具有更高的突变机会。这意味着这些热点可能是一种未被充分认识的机制，也可能偏向于进化的方向，这意味着自然选择可能不是唯一的驱动力。

到目前为止，黑暗的DNA似乎存在于两种非常多样和不同类型的动物中。但目前尚不清楚它的普及程度。所有动物基因组都能包含黑暗的DNA，如果没有，是什么让沙鼠和鸟类如此独特?要解决的最令人兴奋的难题将是研究黑暗DNA对动物进化的影响。

在沙鼠的例子中，突变热点可能使动物适应沙漠生命成为可能。但另一方面，突变可能发生得如此之快，以至于自然选择不能足够快地去除DNA中有害的任何物质。如果这是真的，这将意味着有害的突变可以防止沙鼠在当前的沙漠环境之外生存。

这种奇怪现象的发现无疑引发了关于基因组如何进化以及现有基因组测序项目可能遗漏的问题。也许我们需要回过头来仔细看看。

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