我们知道每个人体细胞的细胞核内包含23对染色体，包括22对常染色体和1对性染色体(XX或XY)。线粒体中也含有一条微小的圆形染色体。因为同源染色体的存在，简单起见，生物学家只关心由一组25条染色体组成的单倍体基因组，这包括：22条常染色体、X染色体和Y染色体，以及线粒体染色体。每条染色体都包含一条完整的DNA链。我们假设生命是一本书，我们的基因组中每个核苷酸相当于这本书中的一个字母，这本生命之书没有空格没有标点符号没有插图或表格，需要3675个核苷酸填满一页。按照这样的形式将我们的基因组（22个常染色体，X和Y染色体，线粒体染色体）打印出来，将有8435000页。如果将其装订成一系列的书籍，基因组的生命之书系列将有49.21米高。我们是2倍体生物，那么这本生命之书将有98.42米高，近100米（图1）。

                              图1：生命之书

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我们常说蛋白质是生命活动的体现者，有趣的是，在基因组中98%的序列不编码任何蛋白，所以有人认为这是“垃圾基因”。这些“垃圾基因”中有很多序列都是重复序列。比如Alu元件，它在这本书中出现了120万次，约占有这系列书的11%的内容（图2）。每一个Alu大约含有300bp，这个重复序列属于短散在序列（SINEs）。在Alu的第170bp位置左右有段序列为AGCT，即Alu I限制性内切酶的识别位点，这也是Alu名称的由来。

图2：Alu在染色体上的分布

核型来自于一女性淋巴细胞（46,XX）。采用荧光原位杂交技术，Alu探针与染色体杂交处呈现绿色，对照TOPRO-3与染色体杂交呈现红色，即图中绿色荧光的部分为染色体中的Alu元件。

图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Alu_element#/media/File:PLoSBiol3.5.Fig7ChromosomesAluFish.jpg

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目前我们仍不知道Alu是如何产生。但有证据表明，第一个Alu可能出现在6000万年前的高级灵长类基因组中。从那时起大约每200年，就会有一个新的Alu重复序列插入到人类基因组中。大家可以再看看图2，显示了Alu在染色体上的分布。在短短的6000万年中，这些序列已从零变为每个细胞约120万个拷贝！换句话说Alu不是固定不变的，它是一个可以跳跃的基因。Alu的跳跃，可以在同一条染色体上进行跳跃，它也可以从这条染色体上跳跃到另外一个染色体上。因为DNA位置的移动叫转座，所以Alu序列也称为Alu转座子。

那Alu是如何实现跳跃的呢？Alu不能实现自主“跳跃”，它需要另外一个转座子的帮助，这就是L1转座子，也称L1元件。L1转座子也是重复序列，但是这个重复序列比较长，约有6000bp。L1大约是Alu的20倍长，所以它属于长散在序列（LINEs）。L1转座子也是LINEs中最多的一种，占有人类基因组的17%。L1转座子可以编码Alu复制过程和跳跃过程中所需的所有的分子。

大致过程如下图3：

1. 以Alu的序列为模板，合成mRNA。

2. L1转座子编码逆转录酶。

3. 逆转录酶识别染色体上的TTAAAA序列，其互补链的序列为AATTTT，将剪切开AA TTTT。

4. TTTT将作为引物，与Alu mRNA的尾部匹配，并以Alu mRNA 为模板，在L1的逆转录酶的作用下将形成Alu的DNA序列。

5. 再以Alu的序列为模板，合成互补链。这样就在新的位点插入了Alu的序列。

图3：Alu如何跳跃

图片整理于冷泉港实验室DNA学习中心的教学动画视频，来源：https://dnalc.cshl.edu/resources/animations/alu.html

虽然有时我们说Alu基因，但这个基因不编码任何蛋白质，似乎它只是在不停的复制自己的序列，那它对于我们人类来说有没有意义？是垃圾吗？

人类从其他灵长类动物中分化出来之后，已有几千条Alus基因插入了我们的基因组。Alu重复序列分布并非所有的人都一样。一些Alu重复序列在一个种群中是固定的，这意味着这个种群中所有人在某个特定位置都有特定的Alu重复序列。不同的个体在特定的染色体位置可能携带或不携带特定的Alu序列。你听说过巴斯克人吗？

图4：巴斯克人

图片来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%B4%E6%96%AF%E5%85%8B%E4%BA%BA

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巴斯克人为西南欧民族，主要分布在西班牙比利牛斯山脉西段和比斯开湾南岸，法国及拉丁美洲各国也有少量分布。巴斯克人第16号染色体Pv92位点的Alu元件重复情况很特殊。Alus有两个不同亚形:Ya5和Yb8。Ya5组是在PV92处，插入时间比较久，Yb8是较新插入的组。新的Alu在PV92位点插入进原来的Alu序列中。Alu序列插入Alu序列中是罕见的，而且是最近才插入的，只在少数人身上发现过，特别是来自西班牙巴斯克地区和摩洛哥北部的人。那如何知道自己的第16号染色体上有这样特别的序列呢？我们可以通过之前学习的PCR技术来检测。特异性扩增这部分的序列。再使用凝胶电泳技术，根据扩增目的基因片段的长度推测你的16号染色体PV96处的Alu的“跳跃”情况。

参考文献：

1. Deininger, P. Alu elements: know the SINEs. Genome Biol 12, 236 (2011). https://doi.org/10.1186/gb-2011-12-12-236

2. David A. Micklos , Bruce Nash ,et al. Genome Science:A Practical and Conceptual Introduction to Molecular Genetic Analysis in Eukaryotes.1th ed. Cold Spring Harbor Laboratory Press. 2014

校对：刘知远

本文来自冷泉港亚洲DNA学习中心

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