對于動植物的DNA來說，僅有不到5%能夠翻譯成蛋白質(zhì)，進行生命活動。而大部分DNA轉(zhuǎn)錄成RNA之后，便不再繼續(xù)翻譯，這些非編碼RNA一度被認為是轉(zhuǎn)錄中的“噪音”“暗物質(zhì)”， 甚至有人認為這是“垃圾DNA”。

     

     近十年來，隨著探索未知的技術的進步，這些所謂“垃圾DNA”的重要性才開始為人們所了解。

     

     近日，來自中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所（以下簡稱農(nóng)科院作科所），水稻優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘與創(chuàng)新利用團隊等研究人員利用全基因組分析的手段，對水稻及其近緣野生種基因組中的“垃圾DNA”進行注釋。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有些被稱作“垃圾DNA”的變異與水稻淀粉含量、籽粒大小等重要農(nóng)藝性狀的多樣性相關。其研究結(jié)果發(fā)表在《科學進展》上。

     

     “垃圾DNA”絕非垃圾

     

     分子生物學的中心法則描述了遺傳信息的傳遞方向，即DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生mRNA，mRNA利用所攜帶的遺傳信息指導蛋白質(zhì)的合成。中心法則認為，蛋白質(zhì)是生命活動的主要承擔者。

     

     隨著大量生物全基因組測序的完成，科學家們發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)生物基因組中90%以上的DNA不編碼任何蛋白質(zhì)，于是將其劃入了垃圾行列。

     

     后來科學家又發(fā)現(xiàn)，人類編碼蛋白的基因數(shù)量跟蠕蟲的幾乎相同，所以僅靠編碼區(qū)的DNA差異，沒法解釋人與其他生物的差異。

     

     而所謂的“垃圾DNA”才是唯一隨著生物復雜性增加而數(shù)量增加的基因組區(qū)域。同時，科學家發(fā)現(xiàn)，“垃圾DNA”對人體的影響作用滲透到了遺傳調(diào)控網(wǎng)絡中的方方面面，從罕見的遺傳疾病到唐氏綜合征，從常見的病毒感染到衰老過程等，都與其脫離不了干系。對這些非編碼DNA的研究，宣示著新一輪基因功能研究革新時代的到來。

     

     該論文第一作者、農(nóng)科院作物所副研究員鄭曉明介紹，非編碼DNA對動物體的影響作用研究已有很多，但大家對其在植物中發(fā)揮的作用知之甚少。

     

     “在水稻基因組中，目前已克隆的影響水稻形態(tài)性狀的基因位點大概有3000多個，99%以上的基因位點都是蛋白質(zhì)編碼區(qū)。但是，借助于全基因組關聯(lián)分析技術，我們發(fā)現(xiàn)，跟水稻形態(tài)、性狀的多樣性相關的變異大部分集中在非編碼區(qū)。”鄭曉明告訴《中國科學報》。

     

     “盡管科學家們對作物馴化進行了近20年的基因組學研究，但我們對大多數(shù)作物在馴化過程中發(fā)生形態(tài)性狀改變的遺傳基礎卻不了解。”該論文另一作者、美國華盛頓大學圣路易斯教授Kenneth M.Olsen說。

     

     神通廣大的非編碼DNA

     

     基于非編碼DNA區(qū)域在組織中表達量低、保守性差，用于探索其功能的手段比較落后等原因，對其研究一直落后于對編碼區(qū)DNA的研究。

     

     “隨著基因組測序技術的發(fā)展，我們可以利用去核糖體RNA測序的方法，更精確、廣泛得到組織中表達的DNA區(qū)域。”鄭曉明說，“從野生稻到現(xiàn)在食用的水稻，僅經(jīng)過了一萬多年的人工馴化、改良，其株型、穗型、粒型以及種皮顏色等都發(fā)生了巨大的變化。在此過程中，累積的突變、重組次數(shù)少，所以噪音小，水稻及其近緣野生種是適合進行非編碼DNA的研究體系。”

     

     她所在的團隊致力于水稻及其近緣野生種的種質(zhì)資源收集和研究工作，一直以來，積累了豐富的水稻及其近緣野生種的研究材料。

     

     他們首先對水稻及其近緣野生種進行了全鏈特異性轉(zhuǎn)錄組測序，鑒定了3363個長鏈非編碼RNA。結(jié)合多組學深入分析表明，下調(diào)的長鏈非編碼RNA受到人工選擇，并與碳固定和碳水化合物代謝相關。

     

     研究人員又進一步利用轉(zhuǎn)基因實驗和群體遺傳分析證實，長鏈非編碼RNA表達水平的差異直接導致了水稻馴化過程中多個籽粒性狀的變異。

     

     性狀變異研究的新思路

     

     “這項研究首次從全基因組水平對水稻及其祖先種的長鏈非編碼RNA結(jié)構、表達模式、分子機制和進化歷史進行深入研究，揭示了長鏈非編碼RNA調(diào)控水稻重要農(nóng)藝性狀變異的分子機制，為水稻農(nóng)藝性狀變異研究提供了新思路，可為水稻全基因組設計育種提供路線圖，對水稻遺傳改良具有重要的指導意義。”該論文通訊作者、農(nóng)科院作科所研究員楊慶文說。

     

     張學勇是作科所小麥基因資源課題組研究員，他認為，鄭曉明等人發(fā)現(xiàn)了長鏈非編碼RNA對于水稻生長全過程的調(diào)控作用，這具有很強的創(chuàng)新性。

     

     “這給今后人為控制DNA轉(zhuǎn)錄量，進而改變性狀提供了一種可能性。比如，對于患有糖尿病、尿毒癥等疾病的人來說，如果能降低水稻中的淀粉含量，就不必禁食大米。”張學勇說，“同時，這項研究也給做其他谷物研究的人提供了一個新視角。既然在水稻中有這樣的調(diào)控系統(tǒng)，那在小麥、玉米、高粱等作物中，會不會也存在呢？這需要進一步的研究。”