【生物奧妙】生物最少需要幾個基因？
of the National Center for Imaging and
Microscopy Research at the University of California at San Diego
撰文｜葉綠舒
自從開始進行基因體定序後，到底所謂的必需基因（essential gene）有多少個，一直是討論的焦點。以多細胞生物來看，人有大約兩萬零五百個基因、蚊子有一萬八千個基因，而擬南芥（Arabidopsis thaliana）竟有兩萬七千個基因！
當然，多細胞生物因為構造比較複雜，基因體一定比較大，這是無庸置疑的；如果是單細胞生物呢？單細胞生物如枯草桿菌（Bacillus subtilis）或大腸桿菌（Escherichia coli）的基因體就簡單多了，大概都只有四、五千個基因。如果把不同的單細胞生物的基因拿來「超級比一比」，找出大家都有的基因，會發現大概有兩百五十個左右的基因的交集。但是，這兩百五十多個基因，就是必需基因嗎？單細胞生物真的只需要這麼少的基因就可以存活嗎？
答案可能是否定的。為什麼呢？目前所知最小的可以獨立生存的個體是生殖道黴漿菌（Mycoplasma genitalium），但是它還有525個基因，比上述的交集結果還多了一倍多。那麼，這些「多出來」的基因，會不會還是有非必需的基因呢？
J. Craig Venter Institute 的科學家們，為了要解開這個謎題，先以轉位子誘變技術（transposon mutagenesis）找出生殖道黴漿菌中可能不需要的基因，再將絲狀黴漿菌（M. mycoides，含有901個基因）的基因體分成八段來合成以後（稱為1.0版），將新合成的人造基因體片段分段置入來測試這些片段的「可活性」。
為什麼不使用生殖道黴漿菌繼續做呢？原來，生殖道黴漿菌長得太慢了，每16小時才複製一次！所以只好改用絲狀黴漿菌。研究團隊開發了利用山羊黴漿菌（M. capricolum）來「借殼上市」的方法，把1.0版放入山羊黴漿菌後，便可以分段測試以生殖道黴漿菌為藍本的人造基因體片段了。
一開始，研究團隊收集了一萬六千個轉位子誘變突變株，在1.0版裡面找到440個非必需基因。剔除這些非必需基因後，得到的2.0版基因體只剩下483 kb，含有471個基因，包括了432個合成蛋白質的基因以及39個合成RNA的基因。但是，這個2.0版卻完全不能存活。
為什麼會這樣呢？研究團隊苦苦地思索著，最後他們覺得，應該是資訊收集不足！於是他們再回去收集更多的轉位子誘變突變株。這次他們收集了三萬個獨特的突變株（P0），讓這些突變株複製四十代以後，再收集得到一萬四千個突變株（P4）。
將P0與P4進行定序比較後，他們將所有的基因分成三類：（一）必需基因（e-genes）：這些是不論在P0或P4，都沒有被轉位子插入、或僅有5端或3端被插入的；（二）非必需基因（n-genes）：在P0與P4都經常被插入的；（三）類必需基因（i-genes）：在P0被插入，但是在P4沒有被插入的。
研究團隊有了這些資訊以後，再度進行人造基因體的製作。這次，除了保留必需基因以外，類必需基因也保留了下來；而非必需基因如果恰好未於一群必需或類必需基因之間，也會被保留下來。
最後得到的3.0版，是一個只有473的基因的小傢伙，比目前所知最小的獨立生活個體--生殖道黴漿菌--還少了52個基因！這個3.0版包含了438個會產生蛋白質的基因，以及35個只產生RNA（核糖核酸）的基因。它每三小時複製一次，雖然比起1.0版慢了三倍，但是與1.0版相比，3.0版少了將近90%的非必需基因呢！
在這中間研究團隊也發現，理論和實際還存在著相當的差異。例如，分段測試時第六段長得很慢，但養了12天以後卻得到了生長速度快得多的新種；檢查新種發現，其中一個必需基因前面原本有個轉錄終結子，但是新種把它去掉了；而另一個必需基因前面也被加入了一段TATAAT序列，這麼一來，這兩個必需基因的表現量變多，於是新種就可以快速生長。另外，雖然分段測試都OK，但當把所有八段接起來卻還是不能活！從第六個片段學到的經驗，這次研究團隊乾脆把1.0版的八段與八段人造基因體混在一起，再放進酵母菌讓他們自己重組，組出來了一個只用了人造基因體的2、6、7、8段的新種（稱為RGD2678）。於是研究團隊再將RGD2678拿去做一次轉位子誘變後，接著再修修弄弄，3.0版就這樣誕生了。
這3.0版，到底剩下了哪些基因呢？在所有473個基因中，有195個（41%）與基因表現有關；另外有34個（7%）與基因體複製有關。還有81個（17%）與代謝有關，包括了醣解作用（glycolysis）的所有基因。
剩下的基因有什麼功能呢？令研究團隊感到驚訝的，除了84個（18%）與細胞膜功能相關的基因以外，還有79個基因功能未知！
不過，為了要做出3.0版，研究團隊讓它吃得非常好呢！因此3.0版少了很多運輸與代謝其他醣類的基因，造成它只能在以葡萄糖為碳源的培養基中生活。與1.0版相比，3.0版少了這麼多基因，除了複製的速度變慢以外，是否還有其他不同呢？
有的。3.0版不像1.0版在培養基裡面是懸浮的單細胞，而是長成一片的、沈在培養瓶底部。而且不像1.0版都是直徑400nm大小，3.0版會產生很多小小的、可以通過0.2μm過濾器的小細胞。
研究團隊希望可以利用3.0版進一步測試基因的可塑性（gene plasticity）。目前他們已經發現，基因的排列順序似乎不太重要；而更改遺傳密碼似乎也不影響。
究竟這473個基因是不是就是「必需」基因？筆者認為，大概可以把這473個基因稱為「最小必需基因組」吧！畢竟一般的微生物（即使是黴漿菌）還是需要有一些生存所需的彈性，不能只能存活在以葡萄糖作為單一碳源的環境裡。當然，這個資訊還是非常珍貴的，尤其是那79個未知功能的基因，它們究竟有什麼功能呢？這才是真正引人入勝、值得研究的部分呢！
參考文獻：C.A. Hutchison III et. al., 2016. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science.
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作者：葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授，科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
