有越複雜的器官會有更多基因?植物基因數量往往是動物的2倍
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動物、植物和真菌全都有編碼蛋白質的基因,以及控制基因開啟關閉的分子開關。
他們的發現提供了瞭解細胞、組織與器官之間區別的線索。
人類的身體架構嚴密 ...
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健康知識+有越複雜的器官會有更多基因?植物基因數量往往是動物的2倍分享分享留言列印A-A+2021-09-2217:13鷹出版作者/尼爾・蘇賓儘管人類和線蟲的細胞數量、器官複雜性,以及身體部位的差異都很大,但是人類和線蟲基因的數量卻是差不多的,大約都是兩萬個。
圖/ingimage缺乏基因的基因組當年與美國總統柯林頓和英國首相布萊爾一起出席記者會的,是兩個定序人類基因組的競爭團隊之領導者—政府支持的計畫由法蘭西斯.柯林斯(FrancisCollins)領導,私人資助的計畫則由克雷格.凡特(CraigVenter)指揮,而他們拿出來公布的只是簡單的基因組草圖。
儘管當時基因組的公布轟動一時,不過在2000年的記者會中,基因組中還有許多區域沒有定序出來,而且幾乎不清楚哪些區域對於人類的健康與發育而言是重要的。
人類基因組計畫(HumanGenomeProject)最初的結果,重點在於技術而非基因組。
定序人類基因組的競賽引發的技術狂熱仍延續至今。
1965年,戈登.摩爾(GordonMoore)對於微處理器的處理速度做出了著名的預言:每兩年速度會倍增。
我們每次購買數位產品時都能感受到這種加速的結果:每年電腦和手機的處理速度都更快,價格也更便宜。
基因組技術進展的速度甚至輾壓過微處理器的速度—人類基因組計畫耗資美金三十八億,所需的機器能填滿好幾個房間,花了十幾年才完成。
但現在已經有可以定序的手機程式,市場上也有販售手持式基因定序儀。
人類基因組圖譜完成後,每年都有其他物種的基因組圖譜完成。
現在基因組定序的速度之快,唯一能減緩發表速度的是科學期刊的出版週期。
我們有小鼠基因組計畫、百合花基因組計畫、蛙類基因組計畫,從病毒到靈長類的生物體全都有基因組計畫。
剛開始有個物種的基因組發表可是重大事件,會刊登在一流期刊上,媒體也會大肆宣揚。
時至今日,除非牽涉到重要的生物過程或是關乎健康議題,新基因組圖譜的發表基因已經不值一提。
儘管定出基因組圖譜的論文逐漸失去光彩,但依然是能讓祖克康德、鮑林和威爾森高興與著迷的金礦。
我們現在有了果蠅、小鼠和人類的基因組資料,能夠從中找尋生命的核心問題:物種之間的親緣關係究竟如何,以及讓各個物種不同的原因是什麼?每個人的身體中有數兆個細胞,肌肉、神經、骨骼,與其他數百種組織彼此合作,它們全都位於適當的位置上,並以正確的方式連結。
線蟲(Caenorhabditiselegans)只有九百五十六個細胞,如果這還不讓你感到驚訝,想想這個:儘管人類和線蟲的細胞數量、器官複雜性,以及身體部位的差異都很大,但是人類和線蟲基因的數量卻是差不多的,大約都是兩萬個。
而且不光是線蟲如此,果蠅的基因數量也和人類差不多。
事實上,就基因數量來說,與稻米、黃豆、玉米和樹薯相比,動物都輸了,植物的基因數量往往是動物的兩倍—在動物界中,讓複雜的新器官、組織和行為演化出來的,並不是更多的基因。
更奇特的是基因組本身的組織方式。
記得之前提到的規矩嗎?基因由一連串鹼基所組成,能夠轉錄成一串胺基酸,這些胺基酸序列是蛋白質的密碼。
基本上,基因內含了蛋白質的分子模板。
當某個基因序列發表了之後,作者得把序列資料公開並上傳到國家的電腦資料庫。
幾十年來的基因研究,讓這個資料庫擴增的速度非常快,裡面有幾千個物種中無數個基因的資料。
現在你可以坐在電腦桌前,只要輸入一串序列,就能看看哪個物種的哪個基因與這串序列相符。
當你能用整個基因組比對資料庫中的基因序列,便可以從比對結果得知基因組中有哪些基因。
過去二十年來,基因組序列一個個出籠,有個結果全無例外—就是基因組中的基因很少。
如果基因組中的基因具備的是用來製造蛋白質的密碼,那麼基因組的絕大多數片段都沒有辦法用來製造蛋白質。
人類基因組中只有2%的區域中有蛋白質密碼,剩下的98%中沒有基因。
基因是DNA汪洋中的島嶼,除了極少數的例外,這個模式適用於線蟲,也適用於小鼠。
如果基因組的大部分區域中沒有製造蛋白質的密碼,那要用來做什麼?把基因組想成食譜,而基因密碼代表了材料,開關則代表何時使用那些材料的指示。
如果基因組的2%是由能製造蛋白質的基因所組成,其他的98%則是告訴基因何時與何處要啟動的資訊。
圖/ingimage細菌來救場富蘭索瓦.賈可布(FrançoisJacob,1920~2013)和賈克.莫納德(JacquesMonod,1910~1976)這兩位生物學家在二次大戰後,從法國反抗軍中退役,開始研究細菌消化糖類的過程。
如果說有什麼科學問題比這個更象牙塔式、與人類健康關係更疏遠的,應該是沒有。
賈可布和莫納德指出,常見的細菌—大腸桿菌(Escherichiacoli),能消化所處環境中的兩種糖類,一種是葡萄糖,另一種是乳糖。
細菌的基因組相當簡單,一長串的基因中含有能製造消化每種糖類所需蛋白質的資訊。
如果環境中葡萄糖多、乳糖少,基因組就會製造消化葡萄糖的蛋白質。
如果狀況反過來,基因組則會製造消化乳糖相關的蛋白質。
這種狀態看起來簡單又顯而易見,但是其中的基本機制卻為生物學帶來了革命。
科學家發現細菌基因組中的兩類區域。
在第一類區域中,這些基因包含了製造消化兩種糖類所需蛋白質的資訊。
其中的A、T、G、C序列會轉譯成胺基酸序列,組成蛋白質。
基因與基因之間的序列也是由A、T、G、C所組成,但是比較短,其中並沒有製造蛋白質的密碼。
當其他的分子附著到這些序列上,可能開啟或是關閉基因,這是第二類區域。
你可以把這些比較短的區域想像成分子開關,它們會控制基因去製造蛋白質。
在細菌的基因組中,基因和控制該基因的區域彼此相鄰。
賈可布和莫納德發現,細菌的基因組本身就是一種生物性的製造工序,能在適當的時候製造適當的蛋白質。
基因組有兩個區域,一個是編碼蛋白質的基因,另一個是告知哪種基因在何時應該啟動的序列。
兩人因為這方面的研究,於1965年獲頒諾貝爾生理醫學獎。
賈可布和莫納德得到諾貝爾獎後幾十年當中,科學家發現這個蛋白質製造程序的雙重組織特性,是所有基因組的共同特徵。
動物、植物和真菌全都有編碼蛋白質的基因,以及控制基因開啟關閉的分子開關。
他們的發現提供了瞭解細胞、組織與器官之間區別的線索。
人類的身體架構嚴密,具有四兆個細胞,組成了兩百多種組織,形成了骨骼與腦部、肝臟和骨架等等。
軟骨組織的細胞能製造膠原蛋白(collagen)、蛋白多醣(proteoglycan)和其他成分。
這些成分能和水與礦物質結合,讓軟骨柔軟但又具備支持的力量。
不同的蛋白質組合讓神經細胞與軟骨、肌肉或是骨骼中的細胞各個不同。
然而重點在於,身體中每個細胞含有的DNA序列全都相同,都是由受精卵演變而成。
神經細胞中的DNA基本上與軟骨、肌肉或是骨骼中的細胞都是一樣。
如果每個細胞所含的基因相同,那麼讓細胞不同的,就在於是哪些基因活動起來製造蛋白質。
賈可布和莫納德所發現的開關,對於瞭解基因組打造不同的細胞、組織與身體而言極為重要。
把基因組想成食譜,而基因密碼代表了材料,開關則代表何時使用那些材料的指示。
如果基因組的2%是由能製造蛋白質的基因所組成,其他的98%則是告訴基因何時與何處要啟動的資訊。
但是基因組如何打造出身體呢?在生物演化史中又如何讓物種出現變化?在人類基因組計畫的時代,沒人知道這點。
但有少數基因在基因組中很罕見,像是冰山一角,造成了許多驚奇。
※本文摘自《我們身體裡的生命演化史》。
《我們身體裡的生命演化史》作者:尼爾・蘇賓譯者:鄧子衿出版社:鷹出版出版日期:2021/07/28《我們身體裡的生命演化史》書封。
圖/鷹出版提供蛋白質遺傳基因DNA延伸閱讀
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