後基因體時代如何定義「基因」？ - 豐言豐語

在最新版的Thompson & Thompson "Genetics in Medicine"（2001），基因的定義是「A sequence of chromosome DNA that is required for production of a ... LMSSitesePortfolio註冊登入 中文(台灣)English(US)Q&A線上人數:4    豐言豐語     社群功能 社群首頁  文件區(791)  精華區  行事曆  活動  討論區  即時塗鴉牆  問卷  相簿(10)  申請加入社群  文件分類[總覽] 醫學世家 (7) 歷年研究計畫/學經歷 (2) 上醫醫國 (1) 之一--唐氏症 (1) 之二--地中海貧血 (1) 之三--先天性缺損 (1) 之四--節結性硬化症 之五--高危險妊娠 之六-B型肝炎 (1) 之七-乳癌 (1) 基礎生物 (1) 遺傳-發育-演化 (9) 腦神經科學 (32) 2012探索基礎科學講座七[大腦、演化與學習] (8) 2010『臺灣大學神經科學週』 (9) 研究教育 (2) 通識教育 (30) 藝術人文 (6) 杜鵑花節藝術祭 (11) 錯覺展 (2) 出版品 遺傳‧優生‧新科技 (16) 從基因體科學到基因體醫學 (30) 閒話腦神經科學 (37) 腦‧演化與學習 (15) 迎接生命的一雙手 (39) 給醫學生的二十封信 (22) 白色斜塔‧給醫學生的60封信 (38) 上醫醫國‧給醫學生的60封信續集 (32) 臺大真好玩 (31) 學術論文發表 1977.01～1977.12 (2) 1979.01～1979.12 (1) 1980.01～1980.12 (4) 1981.01～1981.12 (9) 1982.01～1982.12 (3) 1983.01～1983.12 (5) 1984.01~1984.12 (2) 1985.01~1985.12 (5) 1986.01~1986.11 (8) 1987.01~1987.12 (6) 1988.01~1988.12 (16) 1989.01~1989.12 (15) 1990.01~1990.12 (12) 1991.01~1991.12 (18) 1992.01~1992.12 (19) 1993.01~1993.12 (28) 1994.01~1994.12 (19) 1995.01~1995.12 (8) 1996.01~1996.12 (8) 1997.01~1997.12 (8) 1998.01~1998.12 (23) 1999.01~1999.12 (20) 2000.01~2000.12 (11) 2001.01~2001.12 (13) 2002.01~2002.12 (9) 2003.01~2003.12 (5) 2004.01~2004.12 (14) 2005.01~2005.12 (16) 2006.01~2006.12 (10) 2007.01~2007.12 (10) 2008.01~2008.12 (12) 2009.01~2009.12 (7) 2010.01~2010.12 (3) 2011.01~2011.12 (4) 2012.01~2012.12 (4) 2013.01~2013.12 2014.01~2014.12 (5) 2015.01~2015.12 (3) 2016.01~2016.12 2017.01~2017.12 (1) 2018.01~2018.12 (1) 楓洲講堂 (24) 杜鵑花藝廊(含文創商品) (11) 影音檔 (1) 未分類 (3) 常用連結 杜鵑花科學論壇(臺大校園導覽畫冊)facebook-豐言豐語雞蛋花與橄欖油(FJH部落格)發育生物學與再生醫學研究中心神經生物與認知科學研究中心 [...更多] 社群資訊 訪客:942169 文章:791 討論:0 公告:2 容量:剩餘1.3GB(1.9GB) 閱讀權限:開放 版主:謝豐舟, 陳怡蓁, 陳輔卿 副版主:無 位置: 豐言豐語> 文件區> 出版品> 從基因體科學到基因體醫學 閒話基因體科學＿3.什麼是「基因」？—後基因體時代如何定義「基因」？ Tweet by陳怡蓁,2012-08-2113:23,人氣(4375) 什麼是「基因」？ —後基因體時代如何定義「基因」？   臺大醫學院謝豐舟教授   在這基因體時代，基因這兩個字已不再是學者的專利，不分男女老幼，口中也時常蹦出這兩個字。

到底什麼是基因呢？ 生物的性狀是經由遺傳單位傳遞給下一代，這個概念在1900年由孟德爾（GregorMendel）提出，1909年約翰生（WilhelmJohanssen）將這個遺傳單位的概念冠上「gene」的名字，漢文將之翻譯成「基因」，日本人則將之翻譯成「遺傳子」，更為直接。

「基因」這兩個字雖然大家耳熟能詳，但基因的真正性質至今連科學家也爭議不休。

最早的觀念中，基因是前述的「遺傳單位」（unitofinheritance）。

這是一個比較功能性的概念，它是一個自主單位（autonomousunit），能把性狀遺傳給後代。

相對地，有人認為基因是一個有形的物體（physicalentity），它是染色體上面一段固定的序列。

這兩派看法多年來，各執一詞，不相上下。

1920年代及1930年代早期AlfredHSturtevant以HermannMuller在果蠅研究上，發現基因在染色體上的位置改變時，儘管基因結構本身不變，其功能卻會變化而造成果蠅性狀的突變。

實驗中，他們將一個基因挪近所謂異染色質區（heterochromatin）時，果蠅會產生所謂雜色（variegated）的表現型，也就是一個基因在某些細胞會表現，卻在某些細胞不會表現，而造成「雜色」，例如複眼中有些部分呈現白色，有些部分則呈現紅色。

由於基因的功能似乎會因應其所在位置而改變，以致有人甚至認為基因根本不是一個固定而具體的單位（particulategene），然而，在實務上卻又不能完全否定「基因」做為遺傳單位的概念。

在最新版的Thompson&Thompson"GeneticsinMedicine"（2001），基因的定義是「AsequenceofchromosomeDNAthatisrequiredforproductionofafunctionalproduct，beitapolypeptideorafunctionalRNAmolecule」。

因此當代對基因的定義除了被轉譯的DNA序列本身之外，調控此一轉譯工作的DNA序列也應包含在內。

那麼基因的範疇到底何在？ 假若基因是一個比較固定而具體的單位（particulategene）則我們應該可以找出界定基因的「區隔」（barrierorinsulator）。

然而學者費盡心力卻遍尋不著能夠區別個別基因的結構。

因此，從學者無法找到能夠區隔個別基因的barrierorinsulator來看，基因可能是一個相當具有伸縮性的結構。

另外一個觀察是，一個基因的功能取決於它對某些轉錄因子（transcriptionalfactor）的反應，而非本身在染色體上的位置，這個現象是FrankGrosveld在人類β-globinlocuscontrolregion首先觀察到。

因此基因應該是包含被轉錄的DNA序列以及轉錄因子的結合區。

這些轉錄因子的結合區可以延伸幾百個Kilobase。

最近的研究顯示人類的DACH基因，其enhancer甚至在遠達1Mb的基因沙漠（genedesert）中。

這個「基因包含轉錄因子結合區」的概念，使基因變成一個功能性而且可以彼此重疊的概念。

意即，一段DNA序列，可以因對轉錄因子反應的不同，可以有一種以上的基因功能，而一個基因的轉錄序列，可能是另一個基因的轉錄調控區。

時至今日，基因的定義已經不再是一段具有明顯邊界的固定DNA序列（particulategene），而是一個具有伸縮性（flexible）的功能性組合，它的範圍是以其（1）空間結構與位置（2）對特定調控因子的反應（3）對最終表現型的效果來決定。

根據以上的論述，基因的基本條件有三：1、必須要有產出（product）2、必須要有功能3、包含轉錄區及調控區。

根據這三個條件，實務上我們如何去從漫長的DNA序列中找出基因呢？以下是五種常用的標準。

1.Openreadingframes（ORF） ORF是指位於startcodon與stopcodon之間的DNA序列。

以ORF尋找基因較適用於原核生物或其他intron稀少的生物。

當生物的exon被隱藏在大段的intron時，ORF常常不易被找到。

2.Sequencefeatures 找出ORF之後，利用基因通常GC較AT多的特徵，再加以驗證。

另外找尋splicesite（AG、GT）可能也有助於基因的辨識。

不過使用這些辨識原則的電腦軟體只能預測50％的exon和20％的基因。

3.Sequenceconservation 比對不同生物的鹼基序列也是辨識基因的利器，理論上，在不同生物均有的序列（conservedsequence）應該有其功能上的重要性，本身是基因的機會較大。

利用不同生物來比對基因序列，必須這些生物間有相當的演化距離（evolutionarydistance），例如最近人類六號染色體的基因辨識是利用五種其他生物-大鼠、小鼠、河豚、綠色斑點河豚以及斑馬魚來進行比對。

當然隨著所用生物的不同，比對出來的基因數目也會有所差異。

4.Evidenceoftranscription 藉由尋找基因產物-RNA或蛋白質也有助於基因的辨識，其常用方法有microarrayhybridization、serialanalysisofgeneexpression（SAGE），cDNAmapping或sequencingofexpressedsequencetag。

最近利用transposon來進行大規模的genetagging，結果從yeast的基因體上找出許多能轉錄蛋白質的新區段，利用帶有標記的cDNA與含有人類染色體序列的microarray雜交，也找出人類染色體上以前未知的許多轉錄區段，但如果迄今尚未找到geneproduct就無法運用此法來反推基因。

  5.Geneinactivation 藉由減消一個geneproduct的功能也是辨識基因的一個方法。

通常可以用Knockout或用RNAi來執行此一工作。

不過很多基因的geneproduct被減消之後往往還是看不到表現型，以致難以確定該基因的功能。

這現象的主要原因是生物都有很大的功能重疊性（functionalredundancy），此外基因功能檢測的方法也會影響其結果。

除了以五個檢測標準之外，還有以下三種情況必須考慮： 1.基因的重疊（overlapping） 2.多樣切割（alternativesplicing） 3.偽基因（pseudogenes） 目前已知有不少基因的轉譯區（包括基因本體及調控區域）是重疊的，一個基因的exon可以在別的基因的intron之間，此一觀念在前面基因的定義以加以闡述。

alternativesplicing使基因的辨識工作更形複雜，因為人類基因體中，至少一半的基因有splicedisoform，事實上沒人知道基因到底會產生多少的splicedisoform因此要從mRNA去反推基因，有其潛在的困難。

所謂偽基因的存在也連帶影響基因的定義。

偽基因的序列與正常基因相同但卻帶有明顯的frameshift或stopcodon，以致缺乏具有功能的geneproduct當然也看不到對phenotype的影響。

偽基因廣見於動物、植物、黴菌以及細菌，通常為數不少，例如人類80個ribosomalproteingene就有2000以上相關的偽基因。

更令人迷惑的是同一種生物中一個基因在某一品系是真正的基因，在另外的品系卻是偽基因，例如酵母菌的FLO8就是一個例子，雖說偽基因不能轉錄，但近來有發現有些偽基因有轉錄現象。

甚至有些偽基因根本沒有frameshift或stopcodon，基本無法轉錄的原因可能是缺少我們未知的調控單位。

且讓我們以酵母菌的基因體序列來嘗試計算基因的數目，若以＞100codon的所有ORF來推算則有6274可能基因。

後來藉由比對基因資料庫以及有無轉錄的現象，增加一些較小的基因，而283個基因也因全無轉錄及功能表現而被剔除，迄今最新的估算是酵母菌有6128基因。

人類的基因體比酵母菌複雜許多，人類的exon不大（平均140basepair）因此可能存在的ORF數目龐大，再加上mRNA的alternativesplicing使問題更加龐雜。

因此學者以為最好的基因辨識方法還是回歸基因的原始定義－asequencecodingafunctionalproduct，也就是從功能上去辨認基因（functionalpolypeptideorfunctionalRNA），再配合不同生物基因體序列的對比，尋找演化上高度保留的區段，才是辨識人類基因最好的方法。

    推薦讀物 1.  DillonN:Positionsplease.Nature425：457,2003. 2.  NobregaMAetal:Scanninghumangenedesertsforlong-rangeenhancers.  Science302：413,2003. 3.  SnyderMetal:DefininggenesinthegenomicseraScience300：258,2003. 4. Thompson&Thompson:GeneticsinMedicine,PhiladelphiaW.B.Saunders,5thed,p21,2001. Copyright©NationalTaiwanUniversity,CollegeofMedicine.Allrightsreserved.台灣數位學習科技建置