大部分人类基因组是“垃圾”？

文汇报

2026-04-16 04:28

人类基因组中，真正有用的成分占了多少？生物学界一直存在两种声音：一派认为大部分DNA都承担着重要职责，另一派认为大部分DNA是“垃圾”。为平息这场争论，科学家们完成了一个大胆的实验——在人类细胞中混入大量植物DNA。结果显示，那些近乎随机乱码的植物DNA，活跃度竟与人类DNA相差无几！新西兰奥克兰大学的布雷特·阿迪认为，这有力地证明，DNA大部分的活跃表现，可能只是无意义的“背景噪音”。这就为“DNA垃圾论”增添了有力证据。

“暗物质”假说对阵“垃圾论”DNA储存着指挥细胞合成蛋白质的“配方”，但人类DNA中仅有约1.2%用于编码蛋白质，剩下的98.8%在做什么？从上世纪60年代起，许多生物学家认为，不编码蛋白质的DNA大都是“垃圾”——哪怕确有一小部分非编码DNA非常重要，而且未来我们可能还会不断发现有实际功能的片段，但都不会改变“绝大多数非编码DNA无用”的整体判断。2011年的一项研究显示，在漫长的进化过程中，只有约5%的人类DNA被保留下来，而对其余的95%，大自然似乎表现出一种“睁一只眼、闭一只眼”的随意态度。

换句话说，这些“可有可无”的DNA，难道还会有用？此外，持“大多DNA无用”观点的生物学家还指出，不同物种的DNA数量差异惊人。例如，洋葱的DNA数量是人类的5倍，肺鱼更是高达人类的30倍。这些DNA也都是有用的吗？与“大多DNA无用派”不同，“有用论派”生物学家认为，判断人类DNA究竟是否有用，应该看它们有没有在“做事”——只要DNA被转录成了RNA，哪怕某些RNA的功能还不清楚，也说明DNA在“做事”。基于这个标准，2012年，一个名为“DNA元素百科全书”（ENCODE）的大型研究项目发现，超过80%的人类DNA都在“做事”，都有活性。

因而，该项目宣称大部分的DNA绝非“垃圾”。而且，有些学者甚至还用“暗物质DNA”来形容非编码DNA，意思是它们之所以看起来没用，是因为我们还没弄懂其重要性。把植物基因“塞进”人体细胞针对ENCODE的结论，美国哈佛大学的肖恩·埃迪在2013年提出了一个大胆设想：启动一个“随机基因组项目”，将包含几百万碱基对的“完全随机合成DNA”植入人类细胞，再用ENCODE的方法检测。某种意义上，这就仿佛是给DNA的蛋白质“配方”塞进大量乱码，然后看它们是会不知所措地沉默，还是会继续保持活跃。

“我们还会看到那些被视为功能证据的活跃现象吗？”埃迪认为，答案是肯定的。

2022年12月5日摄，拟南芥样品。（图源新华社）由于合成DNA成本高昂，此前的实验最多只使用过约含10万个碱基对的小片段。直到日本研究人员培育出了一种人类-植物杂交细胞，其中包含多达3500万个碱基对的拟南芥DNA，才真正开启了史上最大规模的“随机基因组项目”。新西兰奥克兰大学的奥斯汀·甘利指出，肖恩·埃迪的“随机基因组构想”，其精妙之处在于，仅凭测量活跃度其实无法论证DNA是否有用，“我们真正需要的是一个基线”。

至少在16亿年前，植物和动物就在进化之路上分道扬镳，此后拟南芥的非编码DNA早就被各种突变“彻底随机化”。埃迪估算，每一个位点恐怕都已经发生过好几次突变，“对人类细胞来说，这些植物DNA确实相当于随机序列”。“活性”其实只是“背景噪音”如果按照既有标准，DNA被转录成RNA就标志着其具备功能，那么这段随机而无用的植物DNA，应该几乎检测不到转录活性才对。于是，埃迪和甘利开始测量，每千个碱基对的非编码DNA中，有多少个启动转录的起始点。

实验结果显示，这段拟南芥非编码DNA的起始点密度，竟然达到了人类非编码DNA的80%左右。这有力地表明，ENCODE项目中观测到的所谓“活性”，绝大部分可能只是“背景噪音”。

英国爱丁堡大学的克里斯·庞廷表示：“这些植物序列里发生的生化反应，显然没有赋予人类细胞任何功能。这个活生生的例子，完美展示了生物系统到底有多嘈杂。”美国休斯顿大学的丹·格劳尔评价说：“这项极具巧思的研究来得正是时候，它再次印证了一个早已显而易见的事实：人类基因组里，大部分都是垃圾。

至于‘暗物质DNA’这种说法，纯粹是可笑的胡扯。”

甘利指出，在一个完美设计的系统中，本不该有噪音。但生物进化从不追求完美设计。况且，噪音也并非全无益处，“在不完美的系统中，噪音反而可能催生出一些新奇的事物，进而被自然选择所利用”。至于人类DNA的活性为何比植物DNA高出约20%，研究团队目前还无法解释。有可能部分多余的RNA确实具有功能，但即便如此，也不会动摇“大部分是垃圾”的结论。目前，研究团队正借助机器学习，试图找出将“可能具有意义的活性”与“纯粹背景噪音”区分开来的方法。

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人体内75%基因是垃圾？ “垃圾DNA”吐露人与猩猩差异

2021年12月02日 10:06  

来源：科技日报

已经有大量科学家对“垃圾DNA”进行了研究，而这些研究结果不断地表明，“垃圾DNA”绝不是我们体内“无用”的角色，相反，其可能在多方面发挥着重要作用。

提到垃圾，我们的第一反应通常是无用的东西。而在我们的体内，有一些DNA，也被称为“垃圾”。那么，这些被称为“垃圾DNA”的，真的是我们体内无用的东西吗？

近期，一项发表于《细胞·干细胞》的研究发现，之前被我们忽视的部分DNA，即所谓“垃圾DNA”，导致了人类与黑猩猩之间的差异。

“有一点可以肯定，‘垃圾DNA’绝不是垃圾。”武汉科技大学生物医学研究院教授顾潮江说。

对人类基因的研究存在阶段性，长期以来，有关“垃圾DNA”的研究成果层出不穷，相互之间既有佐证也有背离，而这一过程，也正是我们解开基因奥秘的必由之路。

“垃圾DNA”认知与“技”俱进

“垃圾DNA”一名从英文“Junk DNA”直译而来，最初由日本遗传学家大野乾提出，用来描述基因组中不能编码蛋白质的DNA序列。

顾潮江介绍，根据早期定义，人类基因中负责编码蛋白的基因数目仅4万个，只占基因组的2%，其他98%均被列为“垃圾DNA”。

伴随科研进步，“垃圾DNA”的定义也在变化。现在其泛指基因组序列中没有编码功能，既不生成RNA也不产生蛋白质的片段。它们在人类基因组中以重复序列形式广泛存在，结构上分为散在重复序列、串联重复序列和片段重复序列，根据重复次数又可以分为中度重复序列和高度重复序列。

不仅“垃圾DNA”的定义在变，我们体内究竟有多少“垃圾DNA”，科学家们也莫衷一是。

2003年，ENCODE (The Encyclopedia of DNA Elements)计划启动，全球400多名科学家参与其中。该计划的目标是在描绘人类基因组图谱基础上，研究各基因的功能信息，建立生物功能性基因目录。研究结果显示，人类基因组中80%的区域具有一定生化功能。

但美国休斯顿大学生物和生化教授丹·格拉乌尔在《基因组生物学与进化》杂志发表论文称，利用全新模型对人类基因组中功能性基因进行统计，发现功能性基因占比最多只有25%，其他基因都是所谓的“垃圾DNA”。

顾潮江认为，这个研究“推翻”了ENCODE的结论，将引导科研人员重新聚焦人类基因组研究。

关于“垃圾DNA”的认知与“技”俱进，那么其到底从何而来？

已有研究表明，部分“垃圾DNA”起源于病毒，并能调节人体免疫系统。转座元件便属于此类，具体来说，它们是可在基因组中移动的DNA片段，看上去是病毒或细菌等病原体遗留的产物，经过数百万年进化，融入人类基因组。

而2017年发表在《科学》的一篇文献认为，“垃圾DNA”来源于染色体的不对称分配。该研究显示，两条姐妹染色体的着丝粒在雌性减数分裂过程中相互竞争以获得遗传，而着丝粒重复序列是人类基因组中最丰富的非编码DNA，且具有更多重复拷贝和更多动粒蛋白的“强”着丝粒会被优先遗传给后代。

功能已现冰山一角

已经有大量科学家对“垃圾DNA”进行了研究，而这些研究结果不断地表明，“垃圾DNA”绝不是我们体内“无用”的角色，相反，其可能在多方面发挥着重要作用。

顾潮江介绍，一些“垃圾DNA”可被视为基因的分子开关。“垃圾DNA”中有大量重复DNA序列，能形成特殊的DNA高级结构，并以此调节附近基因的活性。

有美国科学家分析了11个人类组织中330个源于Alu（高度重复序列）基因组的外显子，鉴别出许多令人感兴趣的外显子。Alu是灵长类特异性的反转录转座子，通过它制造外显子可能有助于形成灵长类的独特属性。

“垃圾DNA”可通过合成调节性RNA发挥功能。它们能被转录为小分子RNA，控制蛋白质表达，还能激活或抑制基因的表达，协助非常复杂的细胞分裂、分化等。顾潮江介绍，若将这种方法应用于医学，可使癌症基因沉默，意义重大。

还有研究表明，“垃圾DNA”有可能改变基因组装方式。此前，来自美国北卡罗来纳大学的研究人员发现：一些“垃圾DNA”中的小片段遗传序列告诉基因如何剪接，或可提高、抑制剪接过程，从而改变基因组装方式。

“垃圾DNA”对人类的影响不仅于此。

德国和英国的科学家合作发现，在化疗之后，骨髓中造血干细胞会利用“垃圾DNA”转录产生RNA分子增强活化，产生新鲜细胞，促进血液再生。

研究人员还发现，随着个人基因组测序人数迅速增加，近来在解读他们基因组中的突变，尤其是非编码区突变时，在“垃圾DNA”区域中找到了近百个乳腺癌与前列腺癌的潜在“导火索”，这预示“垃圾DNA”可能是潜在癌症病源。还有研究已在霍奇金淋巴瘤内证明了“垃圾DNA”在何种情况下能够保持活性，从而加快肿瘤生长速度。（记者 吴纯新 通讯员 程 毓）

而与上述观点不同，有英国巴斯大学和剑桥大学的研究人员发现，位于基因间的“垃圾DNA”可以转录形成非编码RNA，而这一过程可以阻断细胞癌化。

此外，美国科研人员开发了一种新的生物信息学方法，用于从测序数据中识别和确定从头串联重复序列突变（简称新生TR突变），并对患有ASD（孤独症谱系障碍）的先证者和未患病手足中的新生TR突变进行全基因组特征分析。发现在ASD先证者中全基因组范围内均存在大量新生TR突变，在胎儿大脑调节区域更为富集，且预计在进化上更具危害性。

“垃圾DNA”还可能影响神经系统。有研究发现，被认为是“垃圾DNA”的反转录转座子LINE-1在精神分裂症患者的大脑中水平很高，且可以修饰与精神分裂症相关的基因的表达情况。因此，研究人员推测其可能是引发精神分裂症的主要原因。同时，将这部分“垃圾DNA”置于引发精神分裂症的遗传因子下研究，研究人员发现在精神分裂症患者中，LINE-1可以插入到与突触功能相关的基因中，使其正常功能被破坏，故而可以认为，该“垃圾DNA”或是引发精神分裂症的罪魁祸首。

顾潮江介绍，国外研究团队在发育分子机制研究中，发现在发育期间，来自“垃圾DNA”转录的微RNA在这种细胞与胚层分配过程中发挥着重要作用。悉尼雪梨百年研究所的研究人员通过新一代基因测序技术和复杂的计算机分析技术，揭示特定的白细胞如何使用非编码的DNA来调节一系列控制形状和功能的基因的活性。

“垃圾DNA”甚至可能影响我们的外貌。有美国研究人员发现，“垃圾DNA”中有一些序列片段，可以像开关或放大器一样影响脸部基因。眼睛或大或小、鼻子是否挺拔、头颅形状等，可能都与这些被称为增强子的序列片段密不可分。

拨云见雾更多谜团待解

面对“垃圾DNA”还有哪些疑问亟待解答？

顾潮江说，随着后基因组时代到来，测序技术的进步让对“垃圾DNA”的解读从中获益。第二、三代测序技术极大地提高了测序通量，可以一次性完成从数十万到数百万的DNA分子测序，使得对一个物种的基因组和转录组深度测序变得方便易行，为“垃圾DNA”解读提供了技术支撑。

伴随越来越多有功能的“垃圾DNA”被认识和鉴定，实际意义上的“垃圾DNA”将会越来越少。

顾潮江认为，今后我们或应继续深度分析“垃圾DNA”在以下10个方向中的功能，即DNA复制的调控，转录调节，为遗传物质的程序性重排标记位点，影响染色体的正常折叠和维持，控制染色体与核膜的相互作用，控制RNA加工、编辑和剪接，调制翻译，调节胚胎发育期，DNA修复和帮助对抗疾病。

一篇发表在《基因组生物学与进化》上的论文称，“垃圾DNA”的时代已经结束。与此同时，随着生命科学不断发展，人们也逐渐意识到“垃圾DNA”不是垃圾。

“随着技术更新和研究深入，‘垃圾DNA’中会产生越来越多的功能序列。”顾潮江坚定表示。