文：馬學綸（香港中文大學微生物學系博士）
圖：香港電臺

在「垃圾」DNA中尋寶——基因「開關」與表觀遺傳學

科學界曾經認為製作身體各部分和控制各種新陳代謝的零距離科列元件，都編寫在人類基因圖譜中只佔2%的學基響身編碼區裡，但越來越多研究發現，因序這些基因的代表序列並不代表一切，真正影響身體機能的正影是這些基因是「開」還是「關」。

教條不能解釋的體機狀況——是「變」也是「量」

經典生物學中有一條「中央教條」（Central Dogma），所說的開關是生物資訊的傳遞，是零距離科列由DNA傳到RNA，再由RNA傳到蛋白質，學基響身傳遞方向是因序不會反過來的（雖然在反轉錄病毒入侵宿主細胞時會有RNA傳到DNA的情況，但在生物界中屬於少數）。代表按此推論，正影如果要改變一個人的體機身體狀況，就先要找出這身體狀況的開關分子機制，例如是零距離科列由哪種酶（蛋白質）控制的新陳代謝，再改變那種酶的活性。

由這種酶的基因（DNA）開始更改，令產生的RNA同樣被更改，使後來按著RNA資訊來組合的胺基酸種類和排列產生變化。一顆蛋白質分子的功用取決於它的立體形狀，像是能讓甚麼分子嵌入，會和甚麼分子連結在一起等，改變胺基酸排列會直接改變蛋白質的立體形狀，令功用也改變。在一般情況下，酶的形狀是跟要產生作用的分子「完美嵌合」的，所以基因中鹼基（A/T/C/G）的改變（或稱突變）會令酶的功用降低，令新陳代謝效率也降低。

然而，往往被忽略的因素，是酶本身的生產，即使是立體形狀「正確」的酶，數目太少會「不夠用」，數目太多會「做過頭」，到頭來都會引致那種酶控制的新陳代謝失衡。所以，基因是「開」還是「關」，甚至可以比基因有沒有突變重要。

生物界的雙生兒悖論——相同基因組下發生的癌癥

研究在相同鹼基排列下，基因表達（產生相應蛋白質）的不同的學科，稱為表觀遺傳學（Epigenetics）。其中一個常見的研究方法，是追蹤同卵雙胞胎，因為他們來自同一顆受精卵，所以他們的基因組（DNA）是百份百相同的，他們的身體狀態的不同，就只能源於生物資訊傳遞的過程或外在環境的影響。研究顯示，一對同卵雙胞胎會患上同一種癌癥的機率少於百份之十，可見表觀遺傳學的影響有多大。

另一方面，科學家發現在2%的編碼區中，其實是有能消滅癌細胞的基因的，問題在於這基因是「開」還是「關」，若此基因被「關」，就很有機會引發癌癥。於是，開始有科學家推斷，只要把這個基因「重啟」，就能預防，甚至治癒癌癥。

基因「開關」的真面目——DNA甲基轉移酶

演化就是這麼神奇，人類知識上「後知後覺」的事情，在人類的身體裡已「早有預備」。當科學家從2%的編碼區中找到二萬個基因，也漸漸意識到每個基因都有其相應的「開關」，正正就散落在98%的「垃圾」非編碼區裡。問題是，同是DNA，非編碼區DNA又如何阻礙編碼區DNA運作？答案是，物理上的「阻礙」。

其中一種常見的情況，是一種稱為「DNA甲基轉移酶」做的「好事」。這種酶能往編碼區DNA的特定鹼基加上標籤，甲基（－CH3），結果是令這部分的基因很難被使用，DNA中的資訊不能傳遞出去，變相就是令該基因「關上」，在沒有鹼基突變的情況下，改變了相關的新陳代謝。

下一個問題是，我們能否控制DNA甲基轉移酶，把標籤加在哪個基因上，又能不能把標籤除去，把基因「重啟」？

尋找「手動開關」——生活方式如何影響基因表達

這些發現啟發了一系列後續研究，例如進食健康食品或多做運動能否把某些「開關」重啟，而研究結果亦很正面。

有一班科學家甚至把這類研究推得更前，他們觀察了一對同卵雙生的太空人，一個留在地上過一年，一個在太空站上生活一年，其間一直抽取血液樣本。研究發現，在潛在於98%非編碼DNA中的二萬個基因「開關」，竟然有九千個被「重啟」，可見人類在無重力和高劑量輻射環境下，能自行調節每個基因是否被表達，即製造相應的蛋白質。

另一個意想不到的發現，是原來這些標籤是能遺傳的。其中一個實驗是這樣的，科學家一方面給老鼠聞一種特別的氣味，同時找東西嚇牠們，產生壓力反應，而老鼠的下一代單是聞到那種氣味就會產生壓力反應，而這種反應，正正就是通過在相應基因加上標籤產生，而這些標籤能通過精子或卵子直接傳給下一代。

那麼，要怎樣解釋身體有這種機制？

演化之路上的記憶——為下一代預先「重啟」基因

科學家在一批農戶身上發現，若果一代人在農作物豐收的時期成長，他們會較易出現肥胖和其他新陳代謝病癥，而他們的下一代，甚至是下兩代，即使在農作物產量差的時期成長，也同樣要面對肥胖和新陳代謝疾病問題。

這看似是「壞事」，但其實是演化來「保命」的。在農業時代開始之前，甚至是形成初期，食物供應很不穩定，如果能在食物充足時儲備資源，到食物不足時，生存率就能提高。然而，這代表跟儲備脂肪和減慢新陳代謝的基因被「重啟」，並把標籤通過精子遺傳給下一代，再下一代，使子孫未出生已得到仙祖留下來的「生物資訊」。

人類的遺傳不只是把基因組直接傳給下一代，而是同時把哪些基因有利於存活的資訊，以表觀遺傳學的形式，把生活經驗也同時傳承下去。今集《零距離科學》，會和大家探討各個表觀遺傳學實驗如何進行，以及發現基因「開關」後的各種可能性。

《零距離科學》（節目網站）集合世界各地有趣的科學紀錄片，網羅與大眾息息相關的科學資訊，啟發觀眾的好奇心和求知慾，節目逢星期五晚9時30分在港臺電視31及31A播映。本集於3月20日播出。港臺網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

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責任編輯︰Alvin
核稿編輯︰Alex