自私DNA

自私DNA（英文：Selfish DNA）是指基因组中一类以自身复制和传播为首要目标，而对宿主生物体的适合度没有贡献甚至可能有害的DNA序列。这一概念挑战了传统上认为所有DNA序列都服务于宿主生物的观点，将基因组视为一个不同利益实体（宿主基因与自私元件）共存的动态战场。

核心概念与理论

• 提出：由 弗朗西斯·克里克 和 莱斯利·奥格尔 于1980年分别独立提出，随后由 理查德·道金斯 和 福特·杜利特尔 等人进一步发展。

• 核心思想：自私DNA的“自私性”体现在其进化成功的衡量标准是自身在基因组中的拷贝数增加，而非提升宿主的生存繁殖能力。它利用宿主细胞的复制机制实现增殖，是一种“基因组内的寄生虫”。

• “垃圾DNA”与自私DNA：两者概念有重叠但不等同。“垃圾DNA”强调无功能，而自私DNA强调其自我复制的特性。许多自私DNA对宿主是无功能的（即垃圾DNA），但部分也可能被宿主征用而获得功能。

主要类型与代表

自私DNA主要包括各种类型的可移动遗传元件：

1. DNA转座子

   • 机制：通过“剪切-粘贴”机制，在基因组内移动。它们编码转座酶来切割和重新插入自身。

   • 代表：Ac/Ds 系统（玉米）、P 元件（果蝇）。

2. 逆转录转座子

   • 机制：通过“复制-粘贴”机制，先转录成RNA，再经自身编码的逆转录酶转化为cDNA，最后插入基因组新位点。拷贝数可指数增长。

   • 代表：

     • 长散在核元件（LINEs）：如人类的 L1 元件。

     • 短散在核元件（SINEs）：如人类的 Alu 元件。

     • 长末端重复序列逆转录转座子（LTR逆转录转座子）：与逆转录病毒类似。

3. 自私的遗传元件

   • 更广泛地包括任何破坏孟德尔公平遗传规则、以超常频率传递给后代的序列。

   • 减数分裂驱动系统：如小鼠的 *t* 单倍型、果蝇的 Segregation Distorter 基因，能破坏携带竞争性等位基因的精子。

   • B染色体：额外的非必需染色体，其存在和传递不依赖宿主的主要染色体。

对基因组的影响

自私DNA的活动是一把双刃剑，深刻塑造了基因组的结构与进化：

负面影响（对宿主）

• 插入突变：插入基因编码区或调控区，破坏基因功能，导致疾病（如人类某些遗传病和癌症由 L1 或 Alu 插入引起）。

• 基因组不稳定：通过异常重组（如非同源末端连接、不等交换）导致缺失、重复、倒位等结构变异。

• 能量与资源消耗：复制和转录自私DNA消耗细胞的核苷酸和能量。

“创造性”影响与潜在贡献

• 基因组扩张的主要驱动力：是导致真核生物基因组大小（C值）与复杂性脱钩（C值悖论）的关键因素。

• 进化创新的原材料：

  • 新调控元件的来源：逆转录转座子可能携带启动子、增强子等调控序列，插入新位点后调控邻近基因，驱动基因表达网络的演化。

  • 外显子化：转座子序列可被招募为基因的新外显子。

  • 非编码RNA的来源：例如，Alu 元件是许多重要非编码RNA（如 MALAT1）的结构组成部分。

• 表观遗传调控系统的塑造者：为抑制自私DNA的活动，真核生物进化出了复杂的RNA干扰和DNA甲基化系统。这些系统随后被征用，成为调控宿主基因表达的重要机制。

宿主的防御与“军备竞赛”

宿主基因组进化出多种机制来抑制自私DNA的活动，形成持续的进化军备竞赛：

• RNA干扰通路：通过小干扰RNA（siRNA）识别并沉默转座子转录本。

• DNA甲基化：在转座子区域添加甲基化标记，抑制其转录。

• 染色质修饰：形成异染色质（浓缩、沉默状态）包装转座子富集区。

• APOBEC3蛋白家族：在人类中特异性抑制 L1 等逆转录转座子。

• piRNA通路：在动物生殖细胞中特异性沉默转座子，保护遗传信息代际传递的完整性。

哲学与理论意义

自私DNA理论扩展了自然选择的作用层次，表明选择可以在基因（或序列）自身的水平上发生，而不仅仅在生物个体或种群水平。它支持了基因选择论的观点，即基因组是各种复制子（replicator）的栖息地，这些复制子为自身的存续而竞争。

参考文献

1. Doolittle, W. F., & Sapienza, C. (1980). Selfish genes, the phenotype paradigm and genome evolution. Nature, 284(5757), 601–603. （提出自私DNA概念的两篇奠基性论文之一）

2. Orgel, L. E., & Crick, F. H. (1980). Selfish DNA: the ultimate parasite. Nature, 284(5757), 604–607. （提出自私DNA概念的另一篇奠基性论文）

3. Kazazian, H. H. Jr. (2004). Mobile elements: drivers of genome evolution. Science, 303(5664), 1626–1632. （综述了可移动元件作为基因组进化驱动力的作用）

4. Bourque, G., et al. (2018). Ten things you should know about transposable elements. Genome Biology, 19, 199. （以列表形式清晰总结了转座子的关键知识）

5. Chalopin, D., Naville, M., et al. (2015). Comparative analysis of transposable elements highlights mobilome diversity and evolution in vertebrates. Genome Biology and Evolution, 7(2), 567–580. （比较了转座子在脊椎动物中的进化）

6. Werren, J. H. (2011). Selfish genetic elements, genetic conflict, and evolutionary innovation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 108(Supplement 2), 10863-10870. （综述了自私遗传元件与遗传冲突如何驱动进化创新）