【生物奧妙】生物最少需要幾個基因?

圖片來源:Tom Deerinck and Mark Ellisman of the National Center for Imaging and Microscopy Research at the University of California at San Diego
圖片來源:Tom Deerinck and Mark Ellisman
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。

 

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