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脱氧核糖核酸可能不是生活的指南——只是一份混合的成分清单

对遗传的普遍看法是,从一代传到下一代的所有信息都存储在生物体的脱氧核糖核酸中。但是马里兰大学细胞生物学和分子遗传学副教授安东尼何塞不同意这种观点。

在两篇新的论文中,何塞认为,DNA只是一个组件列表,而不是一套构建和维护生物体的指令。他说,这些指令要复杂得多,它们储存在调节细胞DNA和其他功能系统的分子中。

Jose在《皇家学会接口期刊》和《BioEssays》杂志的同行评议论文中概述了遗传学的新理论框架,这是通过20年的遗传学和表观遗传学研究发展而来的。两篇论文均于2020年4月22日发表。

何塞的论点表明,科学家可能忽略了研究和治疗遗传性疾病的重要途径,而目前的进化观念可能过于关注基因组的作用,基因组包含了生物体的所有DNA。

何塞说:“DNA不能被视为生命的‘蓝图’。”“充其量,这只是一个重叠的、可能令人困惑的成分列表,不同的细胞在不同的时间使用不同的成分。”

例如,眼睛颜色的基因存在于人体的每个细胞中,但是产生眼睛颜色蛋白质的过程只发生在特定的发育阶段,并且只发生在构成眼睛有色部分的细胞中。这些信息并不储存在DNA中。

此外,科学家无法通过读取生物体的DNA来确定眼睛等器官的复杂形状,或者生物体根本没有眼睛。解剖学的这些基本方面是由DNA以外的东西决定的。

何塞认为,发育的这些方面可以使受精卵从单个细胞生长成复杂的生物,这必须被视为遗传不可分割的一部分。Jose的新框架将遗传重铸为一个复杂的网络信息系统,在这个系统中,所有帮助细胞发挥功能的调节分子都可以构成遗传信息的储存库。

塔夫茨大学塔夫茨再生与发育生物学中心和塔夫茨大学艾伦发现中心的生物学教授和主任迈克尔莱文认为,何塞的方法可以帮助回答当前以基因组为中心的生物学观点中许多尚未解决的问题。莱文没有参与任何已发表的论文。

莱文说:“了解生物信息的传输、存储和编码是一个关键目标,这不仅是为了基础科学,也是为了再生医学的革命性进步。”“在这两篇论文中,安东尼何塞巧妙地运用了计算机科学的方法,对可能的分子动力学进行了总结和定量分析,可以作为遗传信息的媒介。”

何塞提出,DNA中未编码的指令包含在细胞中分子的排列及其相互作用中。这种分子排列被保存下来,并代代相传。

在他的论文中,Jose的框架将继承和重铸三个组件(实体、传感器和属性)的组合效果。

包括实体基因组和在细胞中构建生物体所需的所有其他分子。实体可以随着时间而改变,但它们将在每一代开始时以其原始结构、排列和相互作用被重新创建。

Jose说:“遗传的这一方面,即代与代之间的分子排列相似,却被深深地忽略了,这就导致了对遗传工作原理的各种误解。”

传感器是与其他实体或其环境交互并对其做出响应的特定实体。传感器对某些特征做出反应,例如分子的排列、它们在细胞中的浓度或与另一个分子的接近程度。

实体、传感器和属性一起使生物能够感知或“理解”关于自身及其环境的事物。这些知识中的一部分被用来构建每一代生物和基因组。

Jose说:“这个框架是基于包括我们在内的许多实验室多年的实验研究,包括表观遗传学和多代基因沉默,以及我们对理论生物学的浓厚兴趣。”“由于患有同一种疾病的两个人不一定表现出相同的症状,我们真的需要知道两个人可能不同的一切——不仅仅是他们的基因组。”

何塞认为,保持以基因组为中心的遗传学观点是愚蠢的,因为科学家可能缺乏对抗遗传疾病和学习进化秘密的机会。

例如,在医学中,关于遗传疾病对人的影响的不同研究集中在遗传差异和实体中的化学或物理差异上。然而,这个新的框架表明,研究人员应该在患有遗传性疾病的个体的细胞中寻找非遗传差异,例如分子的排列及其相互作用。目前,科学家们还没有测量这些东西的方法,所以这项工作为潜在的重要新研究方法指明了方向。

在进化的过程中,何塞的框架表明,生物可以通过改变分子排列来进化,而不会改变它们的脱氧核糖核酸序列。在保护科学领域,这项工作表明,仅通过脱氧核糖核酸库保护濒危物种的尝试缺乏存储在非脱氧核糖核酸分子中的关键信息。

何塞承认,关于这些想法会有很多争论,需要实验来检验他的假设。然而,他表示,莱文和其他同事等科学家的初步反馈是积极的。

莱文说:“安东尼何塞通过实体-传感器-属性框架总结了记忆和编码,为进化和生物复杂性提供了新的见解,并对遗传学、表观遗传学和发展的现有范式提出了重要修订。”

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