多個「垃圾基因」或為人類演化出龐大腦部關鍵

科學家們曾經認為人類基因組的大部分是「垃圾」，因為體內大量的垃圾 DNA 都不會產生任何負責保持細胞運行的複雜蛋白質。然而近年，不斷有團隊發現這些所謂垃圾 DNA ，在細胞中實際上起著重要作用。最新刊於《自然生態學與演化》的研究更指，人類有異常龐大的大腦，也可能歸功於垃圾 DNA。

換句話說，在演化過程中某個時候，這些垃圾 DNA 獲得了編碼蛋白質的能力，讓人類大腦變得更為發達。

通常，當細胞複製並生產其 DNA 副本時，就會製造出新的蛋白質編碼基因。當細胞構建新的 DNA 分子時有機會出現基因突變，然後會產生與其前身略有不同的蛋白質。從垃圾 DNA 中誕生的基因，被稱為「新生基因 (de novo gene) 」，它們的轉變更為戲劇性，因為新生基因從「無」到「有」，突然獲得了製造蛋白質的能力。

為了製造蛋白質，細胞會「讀取」蛋白質編碼基因，並在稱為 RNA 的小分子中記下其遺傳藍圖，然後 RNA 會快速移動到細胞中稱為核醣體 (ribosome) 的蛋白質製造點。在當中，核醣體使用 RNA 藍圖製造細胞所需的蛋白質。 有趣的是，是次研究團隊發現，垃圾 DNA 也可用於製造各種 RNA ，但這些 RNA 分子中只有很少一部分可以離開細胞核，而細胞核是細胞容納其 DNA 的保護性氣泡。不過研究表明，要轉化為編碼蛋白質的 DNA，垃圾 DNA 必須首先開始製造能夠逃離細胞核並抵達核醣體的 RNA。

通過比較人類、黑猩猩 (Pan troglodytes) 和基因相對較為不同的遠親恒河猴 (Macaca mulatta) 的基因組，團隊確定了人體有 74 個垃圾 DNA 轉化為蛋白質編碼 DNA 。他們亦證實，這一轉變的關鍵步驟是垃圾 DNA 出現突變，使其 RNA 能離開細胞核。

人類和黑猩猩共享 29 個這些新生基因，意味著這些基因是在人類和黑猩猩從其與恒河猴的共同祖先中分途演化之後才出現的。到大約 600 萬年前，人類和黑猩猩再分途演化後，剩下的 45 個新生基因出現，並成為人類獨有的基因。

此外，該團隊發現這些新生基因中有 9 個似乎在人腦中活躍。因此團隊在數個實驗中研究了這些基因的功能。一些測試涉及在實驗室培養皿中培養的微型 3D 大腦模型；與沒有這些基因的情況相比，其中 2 個基因導致這些微型大腦發育得更大。在基因改造過的小鼠中，這 2 個基因分別推動大腦發育高於平均水平，並導致小鼠大腦中形成類似人腦的腦溝與腦回。

然而，《科學》的報道提醒這些實驗並不代表可以了解到人腦的所有複雜性，而且所用的小鼠數量相對較少，難以得出有結論性的證據。

來源：
Live Science, Humans’ big-brain genes may have come from ‘junk DNA’

報告：
An, N.A., Zhang, J., Mo, F. & et al. (2023). De novo genes with an lncRNA origin encode unique human brain developmental functionality. Nature Ecology & Evolution. doi: 10.1038/s41559-022-01925-6

文／AC