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人為何生而為人?
科學人雜誌 │ 2009-06-01 撰文╱波拉德(Katherine S. Pollard) 翻譯╱涂可欣
 
 

我們中了頭獎。人和黑猩猩的腦部在大小、結構和複雜度等性狀上,都有明顯的差異,然而我們對這些人類獨有特徵的演化與發育的機制所知甚少,或許HAR1能揭露人類生物學中這個最神秘的範疇。

接下來這一年,我們比對了多種生物的HAR1區域,包括在這段期間完成定序的12種脊椎動物,希望盡量拼湊出HAR1的演化史。我們發現在人類出現前,HAR1演化得很慢,雞和黑猩猩這兩種生物大約在三億年前分開,在118個鹼基中僅有2個不同;人類和黑猩猩是最近才分開的,卻有18個鹼基不同。HAR1在前幾億年的期間沒有改變,代表它具有非常重要的功能,而在人類基因組中的快速變化,則暗示著它在人類的功能可能有重大修改。

2005年,另一個有關HAR1功能的重要線索出現了。和我們合作的比利時布魯塞爾自由大學的范德海根(Pierre Vanderhaeghen)趁來訪聖克魯茲時,帶回去一小瓶HAR1分子,他利用這些DNA設計了分子螢光標籤,讓表現HAR1(將DNA的序列轉錄成RNA)的細胞能發出螢光。當基因活化時,會先合成可移動的信使RNA,細胞再以這個RNA為模版來製造所需要的蛋白質。螢光標示實驗顯示,HAR1會在某一類的神經元中活化,而這種神經元會影響大腦皮層(大腦最外層的皺摺構造)發育時的模式和架構。倘若這些神經元出錯,將會造成嚴重、通常會致命的平腦症(lissencephaly)。這種先天性疾病患者的大腦缺乏一般的皺摺構造,皮層面積縮小。此外,成人精神分裂症的發病也與這類神經元的失常有關。

因此HAR1在適當時間和部位表現,有助於形成健康的大腦皮層構造(其他證據顯示它可能還參與了精子的製造過程)。我和同事們都急於想知道這段遺傳密碼是如何影響大腦皮層的發育,畢竟HAR1近期發生的多處鹼基置換,可能大幅改變了人類的腦。

除了演化史值得一提,HAR1另一個特點是它並不會轉譯出蛋白質。幾十年來,分子生物學研究的焦點多放在細胞基本建材的蛋白質基因,但在「人類基因組計畫」完成人類DNA的定序之後,科學家才知道蛋白質編碼基因只佔全部DNA的1.5%,另外98.5%所謂的「垃圾DNA」,則屬於通知基因何時啟動和關閉的調節序列,以及會轉錄出RNA但不會轉譯為蛋白質的基因,科學家才剛開始要了解這些DNA的作用。

我們從HAR1序列的模式,推測這段序列會用來製造RNA分子。2006年,美國加州大學聖克魯茲分校的薩拉瑪(Sofie Salama)、伊格爾(Haller Igel)和亞雷斯(Manuel Ares)的實驗證實了我們的推測。事實上,科學家發現HAR1位於兩個重疊基因之上,而兩個基因共有的HAR1序列會形成一種全新的RNA構造,成為第六類RNA基因,這六類基因涵蓋了1000多群RNA基因,每群基因轉錄出來的RNA都各有不同的結構和功能。此外,HAR1也是已知第一個可能受到正向天擇的RNA編碼序列。

之前沒有人注意過人類基因組上這驚人的118個鹼基,看來似乎很奇怪,但在以前缺乏比對整個基因組的技術時,研究人員無從得知HAR1是不是垃圾DNA。
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