去掉基因中的“无用”片段细胞还能活吗?

发布时间: 2026-8-17 15:46| 查看: 152| 评论: 0|来自: 科普中国

如果把细胞中的遗传信息比作一本书，那么在真核细胞的这本书里，用来指导蛋白质合成的信息并不连续，而是夹杂着大量看似多余的段落。当真核细胞通过“阅读”基因来制造蛋白质时，需精准删除这些段落，才能拼出真正有用的信息。这些被删掉的片段叫内含子，而负责剪切的分子机器叫剪接体。

长期以来，一个困惑始终萦绕在科学家心头：既然内含子的信息会被跳过，那它还是不可缺少的吗？真核细胞离了内含子和剪接体，还能不能存活？2026年7月，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心的研究团队在《细胞》杂志上发表了一项重磅研究，给出了出人意料的答案。

真核细胞是指具备真正细胞核（有核膜包裹）的细胞；与之对应的是原核细胞，遗传物质集中在拟核区。所有动植物和真菌都是真核生物。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

从基因到蛋白：细胞里的剪辑工程

要理解这项研究的意义，得先了解真核生物是怎么制造蛋白质的。

细胞的遗传信息存储在细胞核的DNA里，但其中的有效信息并不连续。在一个基因中，编码蛋白质的序列被称为外显子，它们被不编码蛋白质的内含子隔开了。真核生物中蛋白编码的过程，首先是以整段基因为模板，转录合成前体RNA，再由剪接体把内含子精准切除、把外显子连接起来，得到成熟的mRNA，mRNA最终在核糖体上被翻译成蛋白质。

这个过程有点像拍电影：导演拍了很多素材，后期剪辑师把废镜头剪掉，把好镜头拼接成最终成片，才能上映。剪接体便是真核细胞内优秀的剪辑师。

从酵母到人类，几乎所有真核生物都具有内含子和剪接体。在人类基因组中，平均每个基因具有8个内含子，剪接体的异常更是会导致数十种遗传病。正因如此，学界长期默认内含子与剪接体是真核生物的标配，是维持细胞存活必不可少的元件。

但这个结论始终停留在猜想层面。既往研究中，单个内含子的删除往往不致命，但如果把一个细胞里所有内含子全部清空，细胞究竟是生是死？这个问题的答案，尚无人知晓。

六年磨一剑：“分头拼装”造出无内含子细胞

为了回答这个问题，研究团队盯上了酿酒酵母。这是一种只有约300个内含子的单细胞真核生物，与庞大的人类基因组相比，酿酒酵母称得上是一本“薄书”。但即便如此，逐个敲掉内含子也是项浩大工程，如果使用传统方法，至少需要12年。

为此，研究团队设计了一套“分头施工、重组拼装”的策略。简单来说，酵母有两种存在状态：只有一套染色体的单倍体，和携带两套染色体的二倍体。单倍体就像独立的施工小队，能分别删除内含子。当两种不同交配型的单倍体结合形成二倍体，两套同源染色体就有了交换重组的可能。

单倍体结合成二倍体，二倍体再减数分裂成单倍体，就有可能实现遗传物质的交换重组。图库版权图片，转载使用可能引发版权纠纷

科学家将内含子分成数十组，在不同单倍体酵母中分别进行删除。随后通过交配获得二倍体细胞，再诱导染色体重组，将删除不同内含子的基因片段整合到同一条染色体上。最后诱导二倍体减数分裂，从而筛选出删除更多内含子的单倍体后代。

这一设计利用了二倍体生物的核心优势：两套基因组既互为备份，大幅提升遗传容错能力；又能通过重组快速组合不同的遗传变异，加速性状整合（人类作为二倍体生物，也是以此为基础，通过精子和卵子的结合实现遗传多样性的）。以此方式，研究团队得以将原本需要12年的工程，压缩到了6年。

最终诞生的菌株被命名为SYNE27α。在它的基因组中，内含子全部被精准移除，但菌株存活不受影响。研究人员进一步敲除了剪接体的多个核心组分，包括全部5种关键核小RNA（snRNA，U1、U2、U4、U5、U6），以及Prp8、Prp9等剪接体核心蛋白。这些在正常细胞中绝对致命的操作，在SYNE27α中竟然没有影响细胞存活。

这一结果清晰地证明：没有内含子的真核细胞可以不依赖剪接体功能而生存，剪接体的必需性，本质上只来源于切除内含子的需求。

科研人员构建的无内含子酵母细胞。无内含子，也就不需要剪接体。|分子细胞科学卓越创新中心

当然，彻底失去内含子的真核生物也付出了代价。无内含子酵母的生长速度明显减慢，细胞倍增时间从109分钟延长至217分钟。分析显示，这种生长缺陷主要源于核糖体生物合成的紊乱。许多编码核糖体蛋白的基因依赖内含子实现表达自调控，内含子缺失后，核糖体组装效率下降，造成蛋白质合成速率整体放缓。

值得注意的是，这种生长缺陷是一种隐性性状。也就是说，如果让无内含子酵母与正常酵母交配，形成的杂合二倍体的生长状态与野生型无异。这再次印证了二倍体生物的强大容错能力——一份正常的等位基因，就足以弥补全部缺陷。

内含子：虽非必须，但并非无用

这项研究回答了一个困扰生物学界数十年的问题：内含子和剪接体并非真核细胞存活所必需。

但这绝不意味着内含子完全无用。实际上，内含子在演化中被保留下来，恰恰因为它们提供了重要的调控功能，例如影响基因表达水平、帮助应对环境压力，以及参与核糖体组装的精细调控，起到“油门”和“刹车”的作用。

这也解释了为什么在亿万年的演化中，真核生物选择了保留内含子。它不是活命的底线，却是提升生存竞争力的重要筹码。

这项研究的意义远不止回答一个基础问题。这株酵母就像一张干净的空白画布，提供了一个零内含子的干净背景，让科学家可以逐一放回单个内含子，精准解析它们的功能。它为探索内含子的起源与演化提供了全新的实验平台，也为未来合成最小真核基因组指明了方向。

生命从来没有唯一的标准答案。从单染色体到无内含子酵母，我们一次次打破对生命标配的认知，也一步步逼近真核基因组演化的底层逻辑。这株小小的酵母，蕴藏着真核生物演化的秘密，也将成为未来合成生物学的重要基石。