科學家有望破解占比98％的人類基因組暗物質的奧秘

　　2003年研究人員完成了人類基因組計劃項目，共對人類基因組中所有30億個堿基對進行了測序，很多人認為我們機體的DNA是一本開放的百科全書，但一個令人困惑的問題很快也會出現，盡管科學家們對這本書進行了翻譯，但僅僅只是解釋了其中很少一部分內容。

　　機體中有高達98%的DNA并不會編碼產生蛋白質，很多基因組暗物質被認為是一些非功能的進化殘留物，然而在這些非編碼DNA中隱藏了很多至關重要的調節性原件，其能夠控制數千個基因的活性，此外，這些原件在多種疾病發生中也扮演著非常關鍵的角色，比如癌癥、心臟病、自閉癥等，同時這些原件也能為科學家們開發新型療法提供新的線索。

　　為了繪制圖譜并且解釋人類基因組中功能性序列的功能，2月2日美國國立衛生研究院發布了一項資金用于資助5個有特色的研究中心，其中就包括舊金山的兩個研究中心，旨在研究這些調節性原件如何影響基因表達乃至影響基因的行為。這項研究計劃中，研究人員將會利用最新的研究技術，比如基因編輯技術來深入探究人類生物學的本質，從而有望未來幫助開發出治療復雜遺傳性疾病的新型療法。

　　基因組入門的重要性

　　當人類基因組計劃表現出明顯的不足時，2003年9月美國國家基因組研究所（National Human Genome Research Institute）發起了一項名為ENCODE的研究計劃（DNA原件百科全書研究計劃），這項計劃的目的就是尋找人類基因組中所有的功能性區域，以及這些區域是否會形成基因。研究者Elise Feingold說道，人類基因組計劃繪制出了人類基因組中的元件信息，但其并未告訴我們一些“語法”信息，比如標點在哪里，從哪里開始，又從哪里結束，這就是ENCODE計劃未來所要研究的。

　　研究者支出，我們發現了數百萬個非編碼的字母序列能夠發揮必要的調節性功能，就好像在不同類型的細胞中開啟或關閉基因的表達，然而，如今研究者們已經證實這些調節性的序列具有重要的功能，但其并不知道每一個序列所發揮的功能，或者是哪些基因會受到影響，這是因為這些序列通常距離其靶向基因的距離較遠，此外，在不同類型的細胞中還有很多序列發揮著不同的效應。

　　美國國家基因組研究所發起的這項研究計劃能夠使得5個研究中心對這些調節性序列的功能以及基因靶點進行準確研究，這5個研究中心分別是兩個位于加州大學的研究中心（研究者Nadav Ahituv和Yin Shen博士），其它三個分別位于斯坦福大學、康奈爾大學以及勞倫斯伯克利國家實驗室，此外這些研究中心還將會繼續關注圖譜的繪制、計算機分析、數據分析以及數據的協調工作。

　　細胞條形碼揭示調節性功能

　　新技術的使用能夠更加容易地幫助研究人員鑒別出調節性序列的功能和靶點，如今科學家們也能夠更好地操控細胞來獲取關于DNA的更多信息，在高通量篩選技術的幫助下，研究人員就可以大批量地進行研究，在一項實驗中對數千個序列進行檢測。研究者Ahituv教授表示，通常我們很難對基因組中的一些非編碼部分的功能進行檢測，對于一個基因而言，我們很容易評估其效應，因為基因編碼的相關蛋白也會發生改變，但對于調節性序列而言，你并不知道DNA的改變會發生什么，因此我們往往很難預測其功能性的結果輸出。

　　研究者Ahituv和Shen都能夠利用創新性的技術來對增強子序列進行研究，增強子在基因表達過程中扮演著重要的角色，機體中每個細胞都包含著相同的DNA，確定一個細胞是皮膚細胞或腦細胞亦或者是心臟細胞主要看其基因的表達和關閉情況，增強子就是其中的秘密開關，其能夠開啟細胞類型的特殊基因的表達。

　　剔除序列來研究其所扮演的角色

　　研究者Shen能夠采用一種不同的方法來對調節性序列的功能進行特性分析，在同研究者Bing Ren進行合作研究后，她開發出了一種高通量的CRISPR-Cas9的篩選方法來檢測非編碼序列的功能，如今兩位研究者開始利用這種方法鑒別具有調節性功能的序列以及其尋找其所影響的基因。Shen將會利用CRISPR對大量細胞中成千上萬個調節性原件進行編輯，并且追蹤對60對基因進行編輯后引發的效應。

　　這項研究工作中，每個細胞都會被編程來反映兩種熒光顏色（每一個對應一種基因），如果細胞中的光熄滅了，科學家們就知道其中一種基于CRISPR的序列編輯所影響的靶基因了，最后一步就是對每個細胞中的DNA進行測序來確定基因表達改變所誘發的調節性序列的編輯。通過監測共表達基因的顏色，研究者Shen就能夠闡明多個功能性序列和多個基因之間的復雜關聯，而這遠遠高于傳統測序技術的搜尋范圍。Shen說道，直到最近CRISPR技術被開發，此前我們并不可能大規模對非編碼序列進行遺傳化操作，如今對CRISPR技術進行放大后我們就能夠在一項實驗中對數千個調節性序列進行篩選，這種方法不僅能夠告訴我們細胞中的哪些序列能夠發揮作用，而且還能夠幫助發現這些序列所調節的靶向基因。

　　利用暗物質DNA能夠治療疾病嗎？

　　通過對數千個調節性序列的功能進行分類，研究者Shen和Ahituv希望能夠制定出新規則來揭示如何預測以及干擾其他序列功能的機制，這不僅能夠幫助闡明基因組暗物質的角色，還能夠為開發治療復雜遺傳性疾病的新型療法提供治療靶點。Ahituv說道，目前我們發現很多疾病都和調節性序列直接相關，比如對常見疾病（糖尿病、癌癥以及自閉癥）進行全基因組關聯性研究中研究者就發現，90%的疾病相關的DNA突變都位于非編碼的DNA中，因此并這不是一個發生了改變的基因，而是調節該基因的區域。

　　隨著對人類基因組測序的價格明顯下降，目前很多人都在討論利用精準化療法來治療多種嚴重的人類疾病，然而如何解釋非編碼DNA中的這些突變對研究者而言仍然非常困難。最后研究者Shen表示，如果我們能夠對這些調節性序列的靶基因進行鑒別以及特性研究，那么我們就能夠開始闡明這些調節性序列突變后誘發疾病的分子機制了，最終我們或許就能夠通過糾正這些調節性序列的突變來治療復雜的人類疾病了。