遠距基因調控機制 6.5億年前就已存在！

最新研究顯示，動物能透過DNA遠端區域調控基因的功能，這種被稱為「遠距調控」的機制，早在6.5至7億年前（成冰紀時期）就已出現，比原先認知的還要早1.5億年。

DNA分子示意圖。圖片來源：Christoph Bock, Max Planck Institute for Informatics / CC BY-SA 3.0。

遠距調控的關鍵在於DNA與蛋白質能形成精密的3D環狀結構。這種特殊的摺疊方式，讓遠離基因起始點的DNA片段也能直接影響基因表現。

科學家推測，這種進階的調控機制，讓最早的多細胞動物無需演化出新基因，就能發展出不同功能的細胞與組織。

這項突破性創新可能源自所有現存動物的共同祖先——一種古老的海洋生物。這種生物演化出精準控制DNA摺疊的能力，在3D空間中形成環狀結構，讓遠端的DNA片段得以直接互動。

「這種生物就像瑞士刀一樣，能靈活運用既有的基因工具組，探索各種創新的生存策略。」基因調控中心與國家基因體分析中心的博士後研究員Iana Kim博士如此形容。

研究團隊透過分析多種古老動物的基因體獲得這項發現，包括櫛水母（如海胡桃）、扁盤動物、刺胞動物和海綿等。他們也研究了與動物親緣關係接近的單細胞生物。

「研究這些奇特的海洋生物，往往能帶來驚人的新發現。」基因調控中心的Arnau Sebe-Pedrós教授指出：「過去我們只能比較基因序列，現在則能分析不同物種間調控基因表現的機制。」

研究人員運用Micro-C技術，繪製11種物種細胞內DNA的3D摺疊結構。為了建立每個物種的3D基因體圖譜，團隊總共分析了100億條序列資料。

結果顯示，動物的單細胞近親並未出現遠距調控的證據，但櫛水母等早期分支動物卻擁有大量DNA環狀結構。光是海胡桃的基因體中就發現超過4000個環狀結構，這對僅有2億個DNA鹼基的基因體來說相當驚人。

相較之下，人類基因體長達31億個鹼基，細胞內可能形成數萬個DNA環。過去學界認為，遠距調控最早出現在5億年前兩側對稱動物的共同祖先身上。但櫛水母的祖先早在6.5至7億年前就與其他動物分支分道揚鑣。

「櫛水母與海綿誰更古老，一直是演化生物學的熱門辯題。但我們的研究證明，遠距調控的出現時間比原先認知的還要早1.5億年。」研究團隊強調。

這項突破性研究成果已發表於《自然》期刊。

_____

I.V. Kim et al. 染色質環狀結構是動物調控基因體的古老特徵。《自然》，2025年5月7日線上發表；doi: 10.1038/s41586-025-08960-w