重複性DNA
96/12/06
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曾美珍｜
屏東科技大學水產養殖系
黃思霖｜
屏東科技大學水產養殖系
一般而言，所謂基因組包括染色體及質體所含的DNA。在動物中，質體是指粒線體；在植物中，質體則包含粒線體、葉綠體及雜色體。所有真核細胞的基因組都具有豐富的重複性片段，這些片段又稱為衛星DNA，主要是大多數的重複性片段位於基因的上游或下游區，就像衛星環繞在基因周圍。
重複性片段是由許多相同的核3酸小單元連續排列而成，且依照其長度的差異區分為衛星、小衛星及微衛星DNA。衛星DNA的小單元由100個以上的核3酸組成，主要分布在染色體的著絲點或端粒區。小衛星DNA由10至70個核3酸組成，微衛星DNA則含有1至6個核3酸。小衛星及微衛星兩種重複性片段遍布於染色體中，也是近年來最熱門的分子生物學研究對象之一。
微衛星DNA依據其核3酸組成的特性，又可細分為3種類型。第1種是完整型，序列中的核3酸完全由重複性小單元所組成。第2種是間斷型，重複性小單元的序列中有核3酸發生置換、刪除或嵌入的情形。第3種是複合型，序列中的核3酸由兩種以上重複性小單元組成。其遺傳過程遵循孟德爾定律，在同源等位基因上，個體間主要的差異在於小單元的重複次數。
這些重複性DNA是如何發現的呢？在1968年布萊頓和柯霍把DNA切割成若干500 bp（鹼基對）大小的片段，經過加熱，使雙股螺旋DNA變成單股。然後放入含有水合磷酸鈣的玻璃管柱中，調控溫度使單股DNA在合適溫度下再黏合成雙股DNA，雙股DNA會與管柱內的水合磷酸鈣結合。
單一拷貝基因片段由於和互補股逢機結合的機率遠小於重複性片段，因此部分單股DNA會先流出管柱。再逐步加熱管柱，以緩衝液洗出，在不同溫度下，雙股DNA會從管柱中流出，再分析試管中收集到的DNA含量。在不同時間收集到的溶液，所含的雙股DNA在基因組中具有不同的拷貝數，通常最先被收集到的DNA應屬單一拷貝基因片段或低度重複性片段。因此，根據分析結果把基因組中的DNA分為高度、中度重複性片段及單一拷貝數DNA。
在不同生物的基因組中，重複性片段所占的比率有很大的差別。例如囓齒類動物基因組中重複性片段占基因組的10％到60％，而在靈長類動物中所占的比率則高達95％以上。在甲殼類螃蟹基因組中可發現90％以上的重複性序列，在果蠅的基因組中則占50％。在鯉魚的基因組中通常少於20％，板鰓類則占有50％以上。在植物方面，玉米基因組較大，重複性序列所占比率高達80％，大豆約有55％，而小麥稍高，達60～80％左右。
重複性片段普遍存在於基因組中，它們的主要功能至今尚未完全清楚。這些片段過去一直被視為無任何功能，目前得知它們在物種染色體或遺傳重組的過程中扮演重要的角色。它們可能造成其他DNA片段發生移動，改變其在基因組中的位置。有些重複性片段可以轉錄成核糖體核糖核酸（rRNA），協助DNA聚合酵素進行DNA複製的工作。
現今的研究也顯示在免疫系統中，生物體需要重複性抗體基因序列以利快速製造相同的抗體蛋白，還有許多結構性蛋白質也由重複性基因序列轉譯而成。在物種的演化上，它們可能扮演更重要的角色，意即如果基因組中的核3酸發生逢機突變時，非轉錄或轉譯的重複性DNA發生機率高於單一拷貝數基因，藉以降低功能性基因產生突變的機會，維持生物體正常的生理功能。
從基因組中找到重複性DNA有兩個主要的方法。第一個方法是由於很多重複性DNA的每個小單元間是以限制酵素切位相連接，因此可以利用限制酵素切割基因組DNA進行選殖，再以南方氏點墨法進行確認。
限制酵素是細菌體內的蛋白質，又被稱為細菌的免疫系統，主要功能是當外來DNA或病毒入侵細菌體時，這個酵素能把它分解，避免這些DNA嵌入細菌的染色體中而改變了細菌的遺傳組成。這些限制酵素會辨識專一性的核苷酸序列，再把它切割。為什麼限制酵素不會切割細菌本身的DNA呢？主要是因為細菌本身具限制切位的DNA已做了甲基化的修飾。
第二個方法是把整個基因組利用3～4種限制酵素切割成小片段，建立一個基因資料庫，再以DNA雜合反應進行確認。第一個方法主要可以找到衛星DNA，第二個方法則可篩選到小衛星及微衛星DNA。
重複性片段在科學研究上有何重要性呢？過去的研究發現，不同物種間重複性DNA的序列、重複的次數或在染色體的位置上會出現很高的變異。而在同種內的序列保留性雖高，個體間仍有差異。我們可以利用這些特性來解析生物學或醫學上的問題，具有相當程度的應用價值。
1991年科學家許瓦爾采發現一對雙胞胎，其中一位罹患骨骼變形症候群（proteus syndrome）。他利用小衛星DNA偵測這對雙胞胎個體間遺傳變異的情形，發現在小衛星基因座上出現明顯的突變現象，這份報告開啟了重複性DNA與疾病間相關性的研究。
近年來發現至少有10種以上的相關疾病。例如杭丁頓氏舞蹈症(Huntington's disease，或譯亨丁頓舞蹈症，亨廷頓舞蹈症)，主要與位於DNA轉譯區的微衛星DNA－(CAG)n的重複次數倍增有關，轉譯結果多出一段麩醯胺酸蛋白，而造成一種神經退化性疾病。易脆Ｘ染色體症候群、肌強直型進行性萎縮症，則是在不轉譯區中三核苷酸重複序列不穩定地倍增，導致肌肉萎縮或智能障礙等遺傳疾病。
重複性DNA指紋圖譜法近年來也廣泛應用在野生動物保育的研究上，例如以小衛星DNA分析黃胸擬管舌鳥族群的有效族群量、近親交配及基因流傳的情形，以期建立有效經營管理的方法。
在很多水生生物中，由於缺少適當的個體標記技術，因此物種的交配系統和行為生態學的研究常常受到限制。舉例來說，一種特殊的魚類－海馬，在繁殖的過程中，母海馬會把卵子送進雄性海馬的育兒袋中，與雄海馬排放至袋中的精子受精形成胚胎，直到受精卵孵化成仔海馬後再排出育兒袋。而育兒袋中的卵子究竟是由一雌海馬或是更多雌海馬所提供？意即海馬的交配系統是一夫一妻制或一夫多妻制？這個問題一直是個謎。
近年來科學家取出澳洲地區雄性海馬的育兒袋內的胚胎，利用微衛星DNA進行親子鑑定，證實海馬是一夫一妻制。
白鰻是東北亞重要的養殖魚種，具有相當特殊的生活史，成熟個體在深海中產卵，受精卵孵化後魚體呈柳葉狀，因此又稱為柳葉型仔鰻。
牠會隨洋流漂送，當接近陸地沿岸時，會變態成玻璃鰻，整個魚體呈透明狀。到達河口流域時色素開始出現，我們稱為鰻線。當牠溯河成長時，體色逐漸轉變成黃綠色，我們稱為黃鰻。鰻魚成熟後，眼徑變大、腹部成銀白色，稱為銀鰻，隨後降海至大洋產卵場產卵。過去科學家認為整個東北亞的白鰻是一逢機交配的族群，後經學者以重複性DNA分析，發現白鰻可區分為高緯度群與低緯度群，提供了未來漁業經營管理的重要資訊。
灰鰭鯛隸屬於鯛科魚類，是西太平洋區重要的沿岸垂釣魚種，主要分布區域北自日本南部，南至澳洲。現今，臺灣的野生族群量驟減，近期以重複性DNA研究屏東大鵬灣中灰鰭鯛族群的遺傳組成，發現遺傳多樣性低落，灣中灰鰭鯛族群有嚴重近親交配的現象。這意謂著大鵬灣中的灰鰭鯛由於棲息於半封閉式特殊的地理環境，因而限制了與其他族群的交流機會。但另外一種可能的訊息是灣內的過漁行為使得灰鰭鯛的族群量驟減，因而產生嚴重的瓶頸效應－減少了灰鰭鯛族群中遺傳上的歧異度。
由於重複性片段的遺傳模式遵守孟德爾定律，親代直接遺傳至子代，因此也可當做親子鑑定的分子工具。在法醫學上，也可當做辨識罹難者、被害或加害者身分的依據，只需要少量檢體就可進行。現今這項分子工具已廣泛應用於動植物品種鑑定及育種的遺傳標誌上。
總而言之，重複性DNA在基因組中占有很高的比率，但它們的實質功能至今尚無法完全明瞭，有待進一步的研究。但不可否認的是它在醫學、農業、漁業及生物保育方面，都有很高的應用價值。
