染色體 遺傳資訊表現過程的奧秘

如果您喜歡這篇文章，請至下列網頁按〝like〞，以後就可以較快得知此部落格的新動態。 謝謝！   - July 16, 2017     https://www.facebook.com/gliding.cloud

前一陣子，有朋友建議我和大家分享DNA領域的相關資訊，這篇文章算是對他的回應。

相信很多朋友都知道：生物的遺傳資訊，是儲存在細胞核裡的染色體裡面。更進一步地說：這些染色體是由極為長串的 DNA 所組成。（「DNA」的中文名字，是饒舌的「去氧核醣核酸」。為了減低非生物專業的朋友的閱讀負擔，我在本文裡會儘量使用「DNA」這個學名縮寫。）

這些DNA雖然極為冗長，但是它們的基本架構並不複雜。它們是由四種“去氧核苷” 在不同的排列順序之下，經由核醣的支架建立起來的長鍊。這四種“去氧核苷”分別為「去氧腺苷」、「去氧鳥苷」、「去氧胞苷」、和「去氧胸苷」。同樣地，為了大家閱讀的方便，在本文裡我會儘量使用它們的學名縮寫：A、G、C、和 T。

所以大家常聽到的「遺傳密碼」，事實上就是「A、G、C、和 T」這四個字母，在不同排列之下所組成的極長鍊列，附圖一是一個這樣的例子。DNA其實包含了兩條互相交繞的長鍊，但是其中一條長鍊裡的A，一定面對著另外一條長鍊裡的T。 同樣地，其中一條長鍊裡的G，一定面對著另外一條長鍊裡的C。所以這兩條長鍊所攜帶的遺傳資訊是一樣的。這樣的備份互補結構，大大地增加了DNA 的穩定性和可靠性。（在這個附圖裡，為了簡化圖示，所以我沒有去描繪兩條長鍊的螺旋狀交繞。）

 

在過去十數年，科學界已經找到解碼的生化分析法，也已經解出不少生物的遺傳密碼。可是是否同樣的遺傳密碼、就會導致同樣的生理狀態呢？ 答案是否定的， 因為這些遺傳密碼所代表的基因，只有一部分會被表現出來。至於那些部分會被表現出來呢？則因個體而異，其影響因素明顯包含了環境。因此「DNA 的遺傳資訊如何表現？」在近年來成為與「破解遺傳密碼」同樣重要的遺傳學研究課題。

DNA 對個體生理狀態的影響，主要是經由它所製造出來的蛋白質種類。在DNA的長串當中，散落地存在著許多片段，這些片段的「A、G、C、和 T」的排列方式，是製造蛋白質時所依據的「模子」，所以它們經常被稱為「基因」。可是這些「模子片段」加起來的總長度，只佔了DNA總長度的一小部份。剩下來分布在這些「模子」之間的DNA片段，大部分是用來控制或影響這些「模子片段」會不會被用來製造蛋白質。更有趣的是：這些控制或影響，並非DNA本身就可以達成，而是需要不少其他化學物質的參與。

事實上，蛋白質並不是直接由「DNA模子」製造出來的，而是從「DNA模子」先烙印出一些叫作「messenger RNA」（中譯成「信使核糖核酸」或是「信使RNA」）的中介模子，再從 messenger RNA 轉譯出蛋白質。

通常在一個DNA「模子片段」的前面，會有一段DNA是控制這個「模子片段」的主要開關區，術語上稱之為「promoter」。在「模子片段」要開始被烙印之前，一些被稱為「RNA polymerase」（中譯成「RNA聚合酶」）的酵素會連結到 promoter 上，然後開始試圖根據「模子片段」一個字母（A、G、C、或 T）挨一個字母地去烙印「信使RNA」，這個過程在術語上稱為「transcription」（中譯成「轉錄」）。「轉錄」的過程經常會夭折而需要重來，等轉錄達到一個基本的「信使RNA」長度時，「RNA聚合酶」會在一些化學物質的幫助之下脫離 promoter 區，而沿著「模子片段」逐步往下移動，直到把整個「信使RNA」轉錄完成。「RNA聚合酶」的出現數量及工作效率，則會受到一些其他非DNA化學物質的控制。這些化學物質，被統稱為「Transcription Factor」（中譯成「轉錄因子」）。有些「轉錄因子」會促進「信使RNA」的產生，有些「轉錄因子」則相反。

截至目前為止，大家已經可以看到：DNA 製造蛋白質的過程，會受到不少非DNA物質的控制或影響。事實上，從「信使RNA」到「蛋白質」的後續過程裡，還會遇到更多的非DNA物質的參與、控制、或影響。另外，光是在從「DNA模子片段」到「信使RNA」的這個第一個階段，就還有兩種重要的控制影響機制、是不涉及DNA骨架裡A、G、C、和 T 的排列順序的。這兩種機制的重要性，在於它們所造成的影響，並不會因為細胞的世代更新而消失，所以它們的效果是長期性和累積性的。這種持續累積性，對生物個體特性的穩定發展，是很重要的。 可是另一方面，對像癌症之類慢性疾病的生成與發展，也是不可或缺的。

第一種機制，是有時候一些像 Methyl （中譯成「甲基」）或是 Acetyl （中譯成「乙醯基」）的基本化學單位，會連結到 DNA 的p romoter區，因而改變 promoter區的形狀或電荷分布，而讓「RNA聚合酶」比較容易或是比較不容易連結到 promoter區，來啟動「信使RNA」的製造。這樣的變化，會強烈地影響某些「基因」（DNA模子片段）被表現出來的程度。目前已經發現某些癌細胞裡面所累積的這種變異，遠多於DNA骨架裡 A、G、C、和 T 排列順序的突變，所以它反而比DNA遺傳密碼突變，更可能是導致某些癌症的主因。

至於第二種機制，就牽涉到 DNA 的堆積結構。 在細胞核狹小的空間裡，DNA 的長鍊是無法全部展開的，而是有很大一部份纏繞在一種叫做 Histone（中譯成「組織蛋白」）的物質上。例如人體的 DNA，是纏繞在四對不同的「組織蛋白」上（總共八個），然後由第五種「組織蛋白」將整體約束成一個叫做 Nucleosome（中譯成「核小體」）的單位。「核小體」的纏繞程度有鬆有緊，而相鄰的「核小體」之間，也經常會有一段或長或短的未纏繞DNA。

 

由於從DNA烙印「信使RNA」的過程，須要讓「RNA聚合酶」及其他相關的化學物質能夠接近該基因的 promoter 區及模子片段，所以如果 promoter 區及模子片段位於未纏繞的 DNA 部分，或是相應的「核小體」的纏繞程度較鬆弛的話，該基因被表現出來的機會就會較大。反之亦然。 有時候，「甲基」、「乙醯基」、或是其他的基本化學單位，也會連結到「組織蛋白」上。這種連結會改變「核小體」的纏繞緊密度，甚或移動「核小體」的位置，改變兩個「核小體」之間未纏繞的 DNA  範圍及長度，從而改變了一些基因是否會被表現出來？以及被表現的程度。

             DNA 遺傳資訊的表現方式，是一個相對新穎的研究領域，還有許多新的機制和細節正在被發現和瞭解當中。不過光是從以上的簡介，大家就已經可以看到：「遺傳密碼」之外的環境因素，其重要性並不亞於「遺傳密碼」本身。換言之：醫生不但須要知道病人的基因長成怎麼樣子，還須要知道有那些正常或有益的基因被關起來了？或是有那些變異或有害的基因正在大量運作？ 譬如說，就目前所知，已經有不少癌症，包括直腸癌、胃癌、肺癌、攝護腺癌、子宮頸癌、乳癌……等等，遺傳資訊的表現異常所佔的成因，並不亞於遺傳資訊本身的異常。另外，在幾種重要的中樞神經疾病裡，例如 Alzheimer’s Disease（阿茲海默症）、Parkinson’s Disease（帕金森氏症）、及 Amyotrophic Lateral Sclerosis（漸凍人症）等等，也有類似的情形。 而這些新知，也帶動了不少這幾類疾病新療法的開發。 人類對大自然奧秘的探索，又向前邁進了一步。


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