飢餓特工：RNA 內含子在飢餓情況中扮演的角色

生物學的中心基本法則（Central Dogma）中，DNA 會被轉錄成 RNA 並轉譯成蛋白質。在真核生物上，大部分從 DNA 轉錄出來的 mRNA 並不能直接轉譯成蛋白質，而是需要進一步經過剪接（RNA splicing）形成成熟的 mRNA。mRNA 主要可分為兩個部分，內含子（Introns）以外顯子及（Exons），其中外顯子主要負責轉譯成蛋白質，而內含子被剪切後就會被分解。看似無意義的內含子在生物演化的過程中不但沒有被淘汰，還被遺傳保留了下來。原本簡單的中心基本法則，為何需要透過這麼複雜的機制轉錄成蛋白質，科學家認為這些內含子應該在生物上有仍未被釐清的重要意義。在先前的研究，內含子被發現參與在 RNA 剪切的調控、RNA 運輸、基因表達以及穩定基因組等功能上，但內含子在生理上甚至在生物意義上依舊是一個巨大的謎題。

2019 年，《Nature》期刊上發表了一篇非常有突破性的研究，加拿大 Sherif Abou Elela 的團隊利用酵母菌作為模式生物去探討內含子對於生物的意義。酵母菌有 280 個基因卻只有 295 個內含子，並且內含子的長度不超過 500 bp，因此非常適合作為研究對象。他們將這些內含子逐一去除形成不同基因型的酵母菌，並將其培養在不同的環境裡去探討內含子對於其存活與生長的影響。這些被剔除的內含子並不影響該基因的表現（mRNA level）。在營養充足的環境裡，失去內含子與否並不影響酵母菌的生長。

為了讓酵母菌呈現更符合大自然的情況，研究團隊將這一群酵母菌放入相同的環境裡培養，並讓彼此相互競爭來了解內含子對於生物的意義。在長達 200 小時缺乏養分（starvation）的環境裡，大部分缺乏內含子的酵母菌都無法存活。然而重新供給營養後（re-growth），這些缺乏內含子的酵母菌卻能夠與控制組競爭並且生長迅速。因此，研究團隊認為內含子在缺乏養分的環境裡能幫助酵母菌存活。除此之外，研究團隊也將酵母菌培養在缺乏葡萄糖或磷酸的環境，發現他們都有非常相似的生長曲線，也進一步代表內含子能夠幫助酵母菌度過養分缺乏的惡劣環境。另外，生長曲線也讓我們發現內含子主要在靜止期（stationary phase）的作用最大。

另外，研究也發現在缺乏養分的情況下內含子會累積在酵母菌內，進一步證實內含子本身能夠透過某些機制保護酵母菌度過養分缺乏的環境。後續發現內含子能夠抑制酵母菌的 RNA 剪切，並抑制轉錄以及呼吸相關的基因以降低能量的需求，進而達到保護酵母菌的功能。內含子如何偵測外界養分的變化是這個發現的延伸問題，研究團隊提出 TORC1 以及 PKA 參與在這個訊息傳遞裡，然而這假設依然需要更多的研究證據的支持。

最後，我們透過這個研究可以了解內含子在養分充足的情況下會被身體快速地代謝，而在養分缺乏的惡劣環境則能夠幫助生物度過難關並增加生物在不同環境的適應能力。在遠古的惡劣環境裡，這些內含子或許就是我們賴以生存的武器，而在現代營養豐富的環境裡，內含子對生物體的影響依然是很大的謎題，期待未來更新的研究能夠解釋這些疑惑。

參考文獻：

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3. Parenteau, J., Maignon, L., Berthoumieux, M., Catala, M., Gagnon, V., & Elela, S. A. (2019). Introns are mediators of cell response to starvation. Nature, 565(7741), 612-617. doi:10.1038/s41586-018-0859-7

撰文｜林偉強
審稿｜邱亮源