在20年前,人类基因组完成之后,有了人类第一次的基因组测序后,出现了一个非常有意思的现象:不同的基因组之间的基因数目跟物种的复杂度没有什么直接关系。
举例而言,线虫有19000个基因,水稻有50000个基因,最早人类基因组分析发现人类只有32000个基因。这个数字经过几次修改后变得越来越少,现在公认的数字是,人类大概有20000万个编码蛋白质的基因。
因此,这产生了一个非常困惑的现象,比如简单的水稻基因组,比高等的人类包含的基因数目反而更多。
解决这个困惑,需要理解基本的分子生物学的中心法则:遗传信息是在基因组里的DNA里存储,遗传信息编码蛋白首先通过转录得到RNA,称作转录本,转录本可以翻译成蛋白质。
大家通常认为DNA是遗传信息,蛋白是功能的分子,而RNA是遗传信息的载体。
但实际上过去的几十年的研究里发现RNA本身有非常多的功能,同一个基因的RNA有各种各样的变异。另外需要值得一提的是,RNA需要通过剪切进行加工。
人类的大多数基因编码蛋白的部分在基因组里是不连续的,这些不连续的区域我用上图的小方框进行表示,它叫做外显子,它被一些不编码区域所间断,这些不编码区域叫做内含子(introns)。
在转录之后得到最初的RNA既有外显子也有内含子,在这之后要通过一个很重要的过程就是剪切,把内含子去掉,把外显子拼接在一起,如此才能得到一个成熟的RNA产物。
此过程其实不是一成不变的,在进行任何生物学过程中,如果出现调控过程,那么它就会出现变化,因此就出现一个现象叫做“可变剪切”。
如上图所示,就是可以发生可变剪切的基因,上图有三个外显子,第二个外显子是可变剪切的,通过可变剪切,同一个基因可以得到两个不同的RNA产物,最后可以编码成不同的蛋白质。
上图是一张看起来非常简单的图,但实际上此可变剪切的模式非常复杂。具体一些这是果蝇控制神经细胞分育的基因,叫做DSCAM,此基因有很多个外显子,在剪切的时候,通过一组外显子中选其中一个,如果把各种各样的组合所有全组合在一起,通过一个基因,就可以得到38000个不同RNA的转录本的产物。
这个数字有多大呢?这个数字是果蝇基因组所有基因数目的两倍多。另外,很多人类基因,尤其跟神经系统有关的基因,也会有非常多的可变剪切的方式。
前面也提到,此方式非常复杂,我们到底如