垃圾DNA

垃圾DNA（英文：Junk DNA）是一个历史性的、现已基本被摒弃的非正式术语，曾用于指代基因组中不编码蛋白质且当时被认为没有明确生物学功能的DNA序列。随着研究的深入，该术语因带有强烈的功能预设且已不符合科学认知而被科学界所淘汰，取而代之的是更中性的描述，如 “非编码DNA” 或 “功能未知的DNA”。

术语的起源与兴衰

• 提出（1970年代）：由日本遗传学家大野乾 在其著作《进化与基因复制》（Evolution by Gene Duplication）中推广。当时基于对基因组大小（C值悖论）和基因数量的早期认识，推测基因组中存在大量无功能的进化“废墟”。

• 理论支撑：该观点与自私DNA理论及中性进化理论相契合。自私DNA理论认为许多序列是自我复制的“寄生虫”，中性理论则认为许多突变（特别是非编码区）是选择中性的，其积累不产生功能。

• 衰落与摒弃（21世纪后）：随着ENCODE计划 等大规模功能基因组学项目的推进，发现大量非编码DNA被转录，并参与复杂的调控网络。科学界普遍认为，“垃圾”一词具有误导性，因为它先验地否定了功能存在的可能性，阻碍了探索。目前，该术语主要用于科学史和科普讨论中，以说明科学观念的演变。

历史上所指的对象

历史上，“垃圾DNA”通常包括以下类型的序列：

1. 内含子：基因内部在转录后被剪接移除的非编码区间。

2. 基因间区：位于基因之间的DNA。

3. 重复序列：

   • 卫星DNA：高度重复，集中在着丝粒、端粒等区域。

   • 转座元件及其退化残骸：自私DNA活动的遗迹，占人类基因组的约45%。

   • 假基因：功能基因失活后的拷贝。

4. 调控序列的非核心部分：当时未被识别的远端增强子、沉默子等。

现代认知：从“垃圾”到“暗物质”

现代基因组学认为，非编码DNA绝非垃圾，而是一个充满活力和功能的“暗物质”宇宙。

1. 广泛的转录活性：人类基因组中超过80%的区域能被转录，产生大量非编码RNA，如：

   • miRNA、siRNA、piRNA：调控基因表达和基因组稳定性。

   • lncRNA（长链非编码RNA）：参与染色体修饰、转录调控、核内运输等。

2. 至关重要的调控功能：

   • 顺式调控元件：启动子、增强子、绝缘子等，精确控制基因的时空表达，是形态复杂性和物种多样性的主要决定因素。

   • 三维基因组结构：非编码序列帮助形成染色质环、拓扑关联域，将调控元件与目标基因在空间上拉近。

3. 结构性角色：

   • 着丝粒和端粒的重复序列对染色体分离和稳定性至关重要。

4. 进化的原材料：

   • 转座子残骸可被“驯化”为新基因的外显子或新的调控元件。

   • 假基因可能作为竞争性内源RNA参与调控。

关键争议：ENCODE计划与功能定义

2012年，ENCODE项目宣称人类基因组80%的区域具有“生化功能”，引发了巨大争议。

• 批评点：批评者认为，ENCODE将“生化活性”（如转录、特定蛋白结合）简单等同于“生物学功能”。许多转录可能是“噪音”，蛋白结合可能不具调控意义。真正的功能应体现在对生物体适合度（生存繁殖）的影响上。

• 共识：功能是一个有层次的概念。需要严格的遗传学实验（如基因敲除）来验证非编码序列在生物体层面的具体功能。大量非编码DNA可能确实只有微弱的功能或处于中性进化状态。

科学哲学意义

“垃圾DNA”概念的兴衰是科学自我修正的典型案例。它提醒我们：

1. 避免基于无知的断言：不应将“当前未知”等同于“无功能”。

2. 功能概念的复杂性：在分子、细胞和生物体不同层面，“功能”的定义不同。

3. 基因组的经济性原则并非绝对：自然选择不一定追求基因组简洁高效，容忍大量“冗余”或“自私”序列的存在。

参考文献

1. Ohno, S. (1972). So much “junk” DNA in our genome. In: Evolution of Genetic Systems (ed. H. H. Smith), pp. 366-370. Gordon & Breach. （推广“垃圾DNA”概念的经典论述）

2. ENCODE Project Consortium. (2012). An integrated encyclopedia of DNA elements in the human genome. Nature, 489(7414), 57–74. （引发关于功能定义大讨论的里程碑式论文）

3. Doolittle, W. F. (2013). Is junk DNA bunk? A critique of ENCODE. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(14), 5294–5300. （对ENCODE功能主张的著名批评）

4. Ponting, C. P., & Hardison, R. C. (2011). What fraction of the human genome is functional? Genome Research, 21(11), 1769–1776. （审慎探讨基因组功能比例问题）

5. Graur, D., et al. (2013). On the immortality of television sets: “function” in the human genome according to the evolution-free gospel of ENCODE. Genome Biology and Evolution, 5(3), 578–590. （以激烈言辞从进化角度批判ENCODE的功能定义）

6. Morris, K. V., & Mattick, J. S. (2014). The rise of regulatory RNA. Nature Reviews Genetics, 15(6), 423–437. （综述了非编码RNA的广泛调控功能，展示了非编码DNA的重要性）