Monday, April 30, 2012

跳躍基因與獨特大腦

同卵雙胞胎長大後為什麼會有不同的人格特質?因為「跳躍基因」會在神經細胞中四處移動,並改變大腦的特性。

跳躍基因雕琢獨特大腦

 重點提要

■ 基因以及環境都會影響我們的行為,科學家最近又發現了其他影響我們的機制。

■ 「跳躍基因」這種DNA片段會自我複製並轉移到基因組中的其他位置,可以影響其他基因的活性。有時候,跳躍基因會啟動鄰近的基因,這種事情在大腦中發生的機率比較高,並導致特徵和行為的差異,即使基因很相近的個體,也會因此而有不同之處。

■ 這些會移動的遺傳單元也可能影響人類發生心理疾病的機率。

■ 科學家正在研究跳躍基因能否幫助人類適應快速變動的環境。

你的大腦很獨特,我的也是。大腦有極為細緻的結構,每個層次都可以看到個體之間的差異。人腦中有1000億個神經細胞,分成數千種不同的種類,彼此之間的連結總數超過100兆。這些差異讓每個人的思考、學習、行為以及罹患心理疾病的機率都不相同。

大腦中的各種神經連結與功能是如何產生的?我們遺傳到的基因變化是原因之一。但即使是由同一對父母所帶大的同卵雙胞胎,他們的心智功能、行為特徵,以及罹 患心理或神經衰退疾病的機率也可能會截然不同。事實上,基因相同的小鼠在實驗室中以完全相同的方式養大,其學習能力、逃避恐懼以及抗壓反應也不盡相同。這 背後一定有其他的原因。

生活經驗絕對會有影響,經驗可以改變某些細胞群之間的連結強度,不過科學家發現越來越多證據指出了其他的因素,像是一些在胚胎發育時期或之後發生的基因變 異,或影響基因活性的機制。例如「選擇性剪接」:同一個基因可以因此產生不同的蛋白質。在細胞中,大部份的運作由蛋白質負責,因此組織細胞中的蛋白質將會 影響該組織的功能。許多科學家正在研究外遺傳(epigenetic)變化所造成的影響。(外遺傳機制會修飾DNA來改變基因活性,結果會增加或減少某些 特定蛋白質的合成,但是不會改變基因本身的訊息。)

過去幾年來,我們與同儕很好奇有個通常只出現在大腦中的有趣現象:跳躍基因。幾乎所有物種都有這種基因(包括人類),它們可以自我複製並轉移到基因組(細 胞核中所有DNA的總稱)的其他部位,然後改變細胞的運作,因此就算它與相鄰的細胞完全相同,功能也會有變化。當許多不同的細胞都出現這種插入現象後,可 以想見一些細微或略為顯著的變化就會顯現在認知能力、人格特質以及神經病變的傾向上。

我們先前對於腦中跳躍基因的發現,讓我們開始注意到另一個問題:既然大腦的正常運作對生存這麼重要,為什麼會演化出這種改變遺傳運作的機制呢?我們沒有確 切的答案,但許多證據指出,跳躍基因增加了腦細胞的變異度,讓生物體擁有能夠快速適應多變環境的彈性。從適者生存的角度來看,這些跳躍基因(也稱為移動單 元)能在演化的過程中保留下來,或許是因為它們瑕不掩瑜,強化了物種的適應力。

遠古的基因組入侵者

「會在基因組中移動的遺傳單元」並不是什麼新想法,但是它們在腦中十分活躍的新發現卻讓人驚訝。基因跳躍的現象最早是在植物中發現,甚至比1953年華生 (James Watson)與克里克(Francis Crick)解開DNA雙螺旋結構的時間點更早。1940年代,美國紐約冷泉港實驗室的麥克林托克(Barbara McClintock)觀察到玉米的遺傳物質中有一些「調控單元」會移動位置。她發現,在逆境中,基因組的某些部位會移轉並且啟動或關閉新位置周圍的基 因。麥克林托克的實驗造就了現在很出名的彩色玉米,顯示出遺傳鑲嵌的結果:某些細胞中的基因被開啟或關閉,因而與鄰近基因完全相同的細胞有著不同的顏色與 花紋。

麥克林托克的研究一開始受到質疑,但後來她在1983年獲得了諾貝爾獎。在接下來的幾年中,大家逐漸了解,遺傳鑲嵌的現象並不局限於植物,也會發生在人類等其他許多物種身上。

麥克林托克研究的對象叫做轉位子(transposon),這種DNA片段可在基因組中透過「剪貼」方式來轉移位置。最近一些腦中移動單元的研究,都著重 在反轉錄轉位子(retrotransposon),它們可以透過複製再貼上來轉移到基因組中其他位置。它們以自我複製的方式,把新產生的DNA植入新的 位置 。

在人類的基因組中,反轉錄轉位子至少佔了一半以上的核酸(DNA的結構單位),相較之下,大約2萬5000個可轉譯出蛋白質的基因佔不到DNA的2%。很 久以前,一些可以自我複製的分子系統入侵了真核生物的基因組,這些跳躍基因就是它們的後代。最初大家認為這些反轉錄轉位子是沒有功能的垃圾DNA,直到 1988年,賓州大學的卡扎基昂(Haig H. Kazazian, Jr.)發現,它們其實在人體中是活躍的。

特別值得一提的是,在人類基因組中有一種稱為L1(long interspersed element 1,也稱為LINE1)的反轉錄轉位子,似乎扮演著重要的角色。L1經常會複製轉移,因為它所編碼的蛋白質是可以幫助自己在基因組中廣為散佈的機具,這點 和其他反轉錄轉位子不同。L1的跳躍機制啟動之後,它會先轉譯出單股RNA,從細胞核進入細胞質,接著該RNA的一部份會當做模板,轉錄出蛋白質。這些蛋 白質會和該RNA形成複合體,一起回到細胞核中,這些蛋白質中的核酸內切會在DNA的特定部位製造出切口,此時RNA會做為模板來製造L1的雙股DNA, 這段DNA會從切口嵌入基因組中。這種由RNA回到DNA的反轉錄機制現在已被大家熟知,因為愛滋病毒就是把自己的RNA反轉錄成DNA,並永久植入宿主 細胞中。





【完整的內容,請參閱科學人2012年第123期5月號】
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