你身體部分“組織”已有30億歲
——簡述承載生命進化的偉大DNA
發(fā)布時間： 2012-10-14 | 作者：馮衛(wèi)東
http://www.stdaily.com 2012年10月14日 來源： 中國科技網(wǎng) 作者： 馮衛(wèi)東
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上面的字母看起來雜亂無章吧，但這段DNA序列還當真了不起。它存在于你的身體、你的小貓小狗、你餐盤里的魚、你花園里的蜜蜂和蝴蝶乃至你的腸道細菌的所有細胞中。事實上，無論是在深海滾燙的通風口，還是冰冷的高空云層中，你都能找到地球上的生命。你甚至還可以找到一些像巨病毒這樣的嚴格意義上并不存活的東西。
DNA（脫氧核糖核酸）序列之所以非常普遍，是因為它從所有生命的共同祖先進化而來，而且自從它經(jīng)歷了一個至關(guān)重要的進程后，幾乎就不再變化。換句話說，你身體中的部分DNA已到了難以想象的30億歲，從你的祖先一代又一代地完整地傳遞給你。
而你的另一部分DNA則是全新的。你的基因組中會有大約100個突變基因，既不屬于你母親，也不屬于你父親，可能只是一兩個字母的改變，也可能是大塊DNA的減少或增加。
通過基因組的對比，我們可以知道我們的DNA哪部分是新的，哪部分是舊的。比方說，與你的兄弟姐妹進行對比，你就會發(fā)現(xiàn)全新的基因突變。將人類和動物的基因組進行比照，則可揭示更古老的變化。
我們的基因組，并不只是創(chuàng)造人類的配方，它們是鮮活的歷史記錄。由于我們的基因組是如此巨大，含有60多億個DNA字母，足以堆成幾十米高的書堆，它們以非同尋常的細節(jié)記錄了我們的過去。它們使我們得以追蹤從生命誕生延續(xù)至今的進化之旅。
雖然我們才剛剛開始解密這些記錄，但我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，我們的祖先不只面臨要與尖牙利爪浴血搏斗才能生存下去的殘酷局面。我們的基因組中同樣發(fā)生著一場史詩般的戰(zhàn)役，最終造就了我們的今天。
共同的祖先
最先開始有的是RNA（核糖核酸）。這個“多才多藝”的分子能存儲信息和催化反應(yīng)，這意味著某些RNA可以自我復制。一旦一個RNA分子（或一組分子）開始自我復制，首個基因組就誕生了。
RNA的缺點在于不是特別穩(wěn)定，所以很早期的生命轉(zhuǎn)而利用DNA來存儲信息，DNA是一個與RNA稍稍不同的化學“干將”，它不太容易分裂。蛋白質(zhì)也取代RNA成為催化劑，RNA則被委以穿針引線的作用。DNA存儲制造蛋白質(zhì)的配方，并將配方的RNA副本發(fā)送給蛋白質(zhì)制作機構(gòu)。
RNA一統(tǒng)世界的許多古老痕跡依然殘留在我們的基因組中。例如，本文開頭所示的那段無處不在的序列，是RNA酶的部分編碼，其至今仍在蛋白質(zhì)的合成中起著關(guān)鍵作用。
約35億年前，生命實體已開始隨基因組不斷進化，這些基因組中包括有制作RNA和蛋白質(zhì)的配方，最終形成“最后普遍共同祖先”（LUCA）。生命進化研究專家確信，至少有100個基因可追溯回LUCA，而LUCA總共有1000多個基因。
LUCA擁有的很多核心機構(gòu)在今天的所有生命中仍可找到，包括制造蛋白質(zhì)的機構(gòu)。然而，它可能與我們今天所知的生命完全不同。一些研究人員相信，LUCA根本就不是一個離散的、膜結(jié)合細胞，而是一種在非生命區(qū)隔內(nèi)（如堿性深海熱泉的氣孔）進行復制的類病毒混合物。
分裂和聚合
下一階段可能發(fā)生的一種情景是，像LUCA病毒樣的元素子集開始分道揚鑣奔向兩個不同的方向，獲得細胞膜，并成為簡單細胞。這將可以解釋為什么會有兩種簡單細胞——細菌和古生菌，各自帶有完全不同的細胞膜。專家認為，這是一個非常有吸引力的假說。但可以肯定的是，生命很早就分裂成了兩個主要分支。
細菌和古生菌進化出一些驚人的分子機制，并改變了這個星球，但它們僅保留極微量的化學物質(zhì)。直到生命的兩大分支再聚首，復雜細胞或真核生物應(yīng)運而生，才算是生命進化進程中一個非同尋常的大事件，這個事件改變了基因組，為首個動物的進化鋪平了道路。
大約10億年前，一種細菌終結(jié)在古核生物中。這可不是一個滅了另一個，而是兩者建立了一種共生關(guān)系，隨之細菌的后代們逐漸進化，并開始發(fā)揮至關(guān)重要的作用：他們成為了線粒體，這個細胞內(nèi)的發(fā)電廠可為我們提供能量。
沒有這種結(jié)合，復雜的生命可能永遠也不會出現(xiàn)。我們傾向于認為，簡單生物進化成更復雜生命是自然而然的事，但單個細菌或古生菌卻從未進化出具有一定復雜性的生命。這是為什么呢？
專家認為，這是因為他們遭遇了能障。簡單生物利用其細胞膜產(chǎn)生能量。當它們變得更大時，表面積與體積之比下降，此時要產(chǎn)生足夠的能量就變得舉步維艱。其結(jié)果是，簡單細胞不得不保留小的形體，小細胞沒有足夠的空間容納較大的基因組。線粒體則通過提供模塊化的自備能源消除了這一障礙。通過簡單地制造更多的線粒體，并允許其擴展基因組及信息存儲容量，細胞就能變得更大。
除了從這種能量約束中解放細胞，線粒體的祖先也是我們基因的3/4來源。原始細菌大概有3000個基因，隨著時間的推移，大部分丟失了，或轉(zhuǎn)移到主基因組中，現(xiàn)代線粒體留存的只是極少數(shù)的基因。
盡管有明顯的優(yōu)勢，但是建立這樣的聯(lián)盟同時也充滿了危險。特別是，原始線粒體的基因組受到寄生DNA（或轉(zhuǎn)座子）的侵擾，這些轉(zhuǎn)座子只會不停地克隆自己。它們有時會降落在基因中間，將自己寄存在大塊不相關(guān)DNA（內(nèi)含子）中。這就等同于把做湯的食材放進了烘蛋糕的菜譜中。
但后果并不總是災難性的，因為這些內(nèi)含子能“自我剪接”：蛋白質(zhì)制造過程的第一步，也就是一個基因的RNA副本建立后，他們會把自己剪斷。雖然這種情況并不總是發(fā)生，但他們的存在總歸是一個缺陷。大多數(shù)細菌在其基因中沒有內(nèi)含子，因為在一個大群體中總會有很多個體之間的競爭，自然選擇的強大力量會將他們清除出去。但原始真核細胞的數(shù)量非常小，所以選擇性也弱。隨著始祖線粒體的瘋狂復制，主基因組被數(shù)以百計的內(nèi)含子弄得一團糟，寄生生物出現(xiàn)了。
今天，每一個我們的基因通常都包含8個內(nèi)含子，其中有許多可追溯到首個真核生物，我們的祖先從未設(shè)法擺脫他們中的大多數(shù)。相反，他們進化出了改變基因結(jié)構(gòu)這樣的對付方式以及細胞繁殖的方式。其中之一便是性。
性的好處
關(guān)于性，至關(guān)重要的東西不只是不同個體的基因的融合，而是將不同譜系的進化優(yōu)勢聚集在一起。簡單細胞老早就已交換基因，而不必為性困擾。
這一過程也被稱為重組，其中數(shù)對染色體在被分裂成精子或卵子前交換相應(yīng)的部分。重組有助于解決一個根本性的問題，就是讓一個基因組包含有許多互相關(guān)聯(lián)的基因，就好像串在一條項鏈上的珠子。
想象一下，一條擁有真正華麗珍珠的項鏈旁邊，必定有一條是不完美的。如果你不能和另一條互換珍珠，你要么放棄整條項鏈，要么就把它當成是完美的。同樣，如果一個有益的突變最終緊挨著一個有害的突變，無論是有益突變被丟失還是有害突變通過種群傳播，鄰居的拖累是肯定的。
重組讓你有機會交換珍珠。正如你可以制作一條完美的項鏈和一條有瑕疵的項鏈，所以某些后代會得到不成比例數(shù)量的優(yōu)良基因，而另外一些后代也可能會得到很多不好的基因，也許還帶有破壞性的內(nèi)含子。不幸的個體很可能會消亡，而那些擁有良好基因的個體則茁壯成長。
在大群體中，這么多突變的興起，其中一些將抵消有害基因的影響，所以也沒有必要訴諸重組。但在小群體中，性就會勝出。這就是為什么性會成為第一個真核生物，乃至其后代的常態(tài)。因此，下一次你在享受性的愉悅時，記得感謝你的古細菌祖先所庇護的原始寄生生物吧。
等到性進化的時候，會有太多內(nèi)含子擺脫它們。因此，早期真核生物很快就面臨另一個嚴重的問題：由于內(nèi)含子獲得越來越多的突變，自我剪接機制開始失效。作為反應(yīng)，這些早期真核生物進化出特殊機制，這就是可從基因的RNA副本剪去內(nèi)含子的剪接體。
剪接體是進化的一種盲目解決方案典型：從基因RNA副本而不是從原始DNA剪去廢物，是非常低效的。更何況，剪接速度很慢。許多RNA在其內(nèi)含子被剪掉前就已到達蛋白質(zhì)制造工廠，從而導致了有缺陷的蛋白質(zhì)。
這就是細胞核進化的原因。一個細胞的DNA一旦被封閉在將蛋白質(zhì)制造機構(gòu)分隔開的區(qū)間內(nèi)，只有剪切過的RNA被允許帶出，就可防止細胞制造無用蛋白質(zhì)而浪費能量。
但即使這樣，也并沒有解決所有的問題。剪接體經(jīng)常會錯誤地剪掉基因的編碼部分，即外顯子，從而導致突變的蛋白質(zhì)。選擇性剪接不是一種適應(yīng)，這是生物體不得不處理好的事情。
因此，我們的遠古祖先進化出層疊疊的復雜機制，以應(yīng)對內(nèi)含子的擴散，但仍然沒有解決內(nèi)含子造成的所有問題。但與簡單細胞不同的是，他們能承受得起這種浪費，因為他們與能源齊平。從長遠來看，所有這些額外的復雜性也導致了新的機遇。
多功能性和控制
內(nèi)含子及外顯子的存在，實際上造就了基因的模塊化。在一個連續(xù)的基因中，增刪其中一部分引起的突變通常會改變基因其他部分被讀取的方式，產(chǎn)生亂碼。與此相反，外顯子可在不破壞基因其余部分的情況下四處移動?；颥F(xiàn)在就可以在其內(nèi)部抑或其間對外顯子進行編排而得以進化。
打個比方，假設(shè)隨機突變給基因增添了一個外顯子。得益于選擇性剪接，原始版本的蛋白質(zhì)仍可制造，但它也意味著一種新的蛋白質(zhì)可能來自相同的基因。突變的影響可能不大，因此不會被選擇機制淘汰，但隨著時間的推移，新蛋白質(zhì)或擁有了新的功能。很意外的是，真核細胞對付內(nèi)含子的無謂努力使他們的基因更加靈活、更可進化。
如果復雜細胞的這種進化觀點是正確的，我們基因組的許多關(guān)鍵特性，從模塊化基因到性，都成為了線粒體獲得物的直接結(jié)果。其他的觀點雖然也不能被排除，但沒有一個能提供如此美麗的解釋。
所有這些新的功能導致了進化創(chuàng)新的暴發(fā)，真核生物蓬勃發(fā)展，不久就開始多樣化了。即便如此，他們?nèi)匀幻媾R著新型寄生DNA和病毒的無情攻擊。超越了簡單細胞的大小限制，復雜細胞可自由進化出更復雜的防御機制。
一是通過給阻止RNA副本形成的DNA添加標簽（此一過程稱為甲基化），來“靜默”轉(zhuǎn)座子的寄生基因。二是摧毀入侵病毒的RNA以阻止其自我復制。這些防御措施只獲得部分成功。今天，大約5％的人類基因組包含有變異了的、大多為惰性的病毒遺骸，而50％的人類基因組包含有轉(zhuǎn)座子的殘余物，從而證明了這些寄生生物確曾莫名其妙地進入了我們祖先的基因組，并大肆泛濫。
這些防御機制很快就被指派為另一個目的：控制細胞自身基因的活性。
構(gòu)筑身體
下一階段將是進化過程中的一大步。大約8億年前，細胞之間的合作開始比以往任何時候都更密切。當然，有一些細菌是多細胞的，由于受到復雜性的約束，從未在這條路上走得很遠。與此相反的是，真核生物已在數(shù)十種場合進化出多細胞性，從而產(chǎn)生了非常復雜的生物體，如真菌、藻類、陸生植物，當然，還有動物。
更大的基因集將被賦以新的用途，如細胞的結(jié)合、細胞間的通信。更重要的是，基因的模塊化特性允許更快速的進化。例如，將細胞結(jié)合在一起的蛋白質(zhì)，既包括跨越細胞膜的一部分，又包括向外突出的一部分。有了模塊化的基因，各種不同的突出位就可以附加到膜的騎跨部分之上，這就像是真空吸塵器上的不同附件。許多多細胞性的關(guān)鍵基因通過外顯子的重排得以進化。
此外，真核生物控制基因的更復雜機制使得細胞更加專門化。通過將不同基因集開啟或關(guān)閉，不同組別的細胞就能承擔起不同的角色。因此，生物體開始發(fā)展成不同類型的組織，使早期動物進化從簡單的海綿狀生物向帶有日益復雜構(gòu)造的動物進化。
進化接下來的一次巨大飛躍，是兩次遺傳意外造成的結(jié)果。繁殖過程一旦出錯，整個基因組偶爾也能被復制，在脊椎動物祖先身上，這樣的事情發(fā)生了不止一次，而是兩次。
這些基因組復制產(chǎn)生了大量額外的基因副本。其中一些丟失了，而另一些承擔了新角色。特別是，這些復制產(chǎn)生了4個主基因群，從而在發(fā)育過程中建立起了橫剖面框架，這些同源框基因（Hox Gene）群被認為在身體內(nèi)部骨架的進化中起到了至關(guān)重要的作用。
全基因組復制是很罕見的，大多數(shù)新基因都是從更小的復制或從外顯子重排中涌現(xiàn)出來的。進化是無恥的，它會利用任何有用DNA，而不管它來自何方。某些重要基因就是從垃圾DNA碎塊中進化而來。
例如，大約5億年前，我們祖先的基因組就遭受了一種稱為hAT轉(zhuǎn)座子的寄生基因的侵擾，它能利用“剪切和粘貼”機制進行自我復制。剪切經(jīng)由可將特定DNA序列結(jié)合在一起的兩種酶來完成。
在早期脊椎動物的某一時刻，這些由DNA剪切酶結(jié)合的序列，會在與識別入侵細菌和病毒相關(guān)的基因附近或內(nèi)部終結(jié)。其結(jié)果是，在個體的生命進程中，隨著其細胞的繁殖，hAT酶就會剪切掉部分基因。最重要的是，在不同細胞系中被剪切掉的不同部分，會產(chǎn)生大量的突變蛋白質(zhì)。
在某些情況下，這竟然又是一個救星，因為突變蛋白質(zhì)能更好地捕獲入侵的病原體。很快，一種能識別細胞制造最有效蛋白質(zhì)及激勵其繁殖的新機制——適應(yīng)性免疫系統(tǒng)誕生了。現(xiàn)代人類的免疫系統(tǒng)令人難以置信的復雜，但負責剪切和重排基因（針對入侵者的重要過程）的兩種酶是hAT酶的直系后裔。因此，我們要感謝這個古老的寄生生物，使我們擁有了對抗疾病的最有效武器。
人類基因組
裝備了這些先進的防御系統(tǒng)，再配上能開足馬力塑造各種巨型身體形狀的遺傳工具包，早期脊椎動物是非常成功的。他們征服海洋、殖民陸地、攀上樹頂又回歸大地，最終開始兩條腿走路。
是什么讓我們與其他猿類不同？我們之間有一個巨大的不同點：我們有23條染色體，而我們的猿類祖先有24條。但只要我們擁有了身體必需的基因，染色體無論是分裂還是融合，就沒什么不同。染色體長期的細微變化似乎在于逐漸改變著我們的大腦和身體。我們已經(jīng)確定了幾個關(guān)鍵的突變，但這樣的突變也許還有成千上萬。
很顯然，細胞和身體復雜性的增加開始于基因組復雜性的增加。不過，令人吃驚的是，大多數(shù)初始復雜性的增加是因為進化選擇的缺乏，而不是由其驅(qū)動。
換言之，突變引發(fā)的效應(yīng)（諸如重復基因）即便有也不會太多。在一個大群體中，這種突變很快就會丟失。但是，在一個小群體中，它們可通過遺傳漂變而意外傳播。這是種群遺傳學的一個必然結(jié)果。直到后來，重復基因獲得一個新角色時，這種復雜性才會被選擇。
在人類進化史上的許多重要事件，如產(chǎn)生同源框基因的基因組復制，也許是一個微群體中輕松選擇的結(jié)果。事實上，人類進化初始階段的人口瓶頸，或許可以解釋為什么某些突變的擴散使我們異于猿類，譬如人類肌肉力量的損失。
另一個引人注目的事情是，病毒和寄生生物發(fā)揮了巨大的作用。我們基因組的許多主要特性，從性到甲基化，都是在對病毒和寄生生物的反擊中進化而來。更重要的是，人類相當數(shù)量的基因和外顯子，譬如免疫酶，都直接源于這些攻擊者。對細胞生命來說，病毒從一開始就是必不可少的當事者。
病毒必要，但令人不悅。我們的進化在巨大的成本中完成。有人說歷史是由勝利者書寫的，好吧，我們的基因組是一卷勝利者的檔案，它記錄了那些成功的、或至少也沒有毀滅我們祖先的進化實驗。我們是長線彩票中獎?wù)叩暮蟠@張彩票的價值是繁衍出能存活足夠長時間來“復制”自己的后代。這一路經(jīng)歷了無數(shù)的失敗。
我們的基因組遠不是一個經(jīng)歷了完美磨練的制成品。相反，它是從遺傳事故的碎屑和古寄生生物的殘骸中自然拼湊而成的。它是一種瘋狂的、不受控制的實驗產(chǎn)物，這樣的實驗會被現(xiàn)今的任何倫理委員會立即駁回。而這一過程至今仍在持續(xù)，去到任何醫(yī)院，你可能會發(fā)現(xiàn)有孩子死于可怕的遺傳性疾病，不過死去的人數(shù)并不像過去那么多了。得益于像胚胎篩選這樣的方法，我們正在開始控制人類基因組的進化。一個新的時代正在到來。（記者 馮衛(wèi)東 綜合外電）
《科技日報》（2012-10-14 二版）
(中國科技網(wǎng))
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