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花开美利坚-第章

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    自从我们发现了基因,生物学家就在探索它们的起源。生命刚刚兴起时,最初的基因想必是偶尔产生的。不过,几乎可以肯定。生命起源于RNA世界。因此在那个时候,基因不可能只是作为蓝图,用来制造引导化学反应的酶——基因本身当时就是酶。如果有随机过程产生了一小段RNA,能够帮助它自己更好地自我复制,那么自然选择就会立即起效。

    然而,随着活细胞的演化。事情变得好复杂。基因变成了编码蛋白的一段dNA。要产生一种蛋白,就要先转录出相应dNA的RNA拷贝。没有“dNA开关”的参与,这个过程不可能发生。所谓“dNA开关”,就是dNA在编码蛋白的片段之外额外多出的一小截,表达“把这段dNA转录成RNA”之意。接着,RNA必须进入蛋白质生产车间。在复杂的细胞内,这个过程要求RNA上带有更多额外的序列,用作标签来表示“把我翻译出来”和“从这里开始制造蛋白”等等。

    如此复杂带来的一个结果就是,通过随机突变把一段垃圾dNA变成一个新基因的几率,似乎会非常非常之小。就像35年前法国生物学家弗朗索瓦。雅各布的著名论断所言:“靠氨基酸随意组合从头形成一个有功能的蛋白,这种可能性实际上是零。”

    不过,有人提出,基因复制出错时可能产生一个单一的基因,并由此产生整个基因家族。这个过程就好像动物界中,经过一段漫长的时间,一个物种分化出一大“家族”具有较近亲缘关系的不同物种。在整个基因中,复制出错是常有的事。多余的拷贝通常会丢失,但有时也会有复制与原始基因拥有同样的功能,或者分化出一个新功能。

    就拿感光色素视蛋白来说,我们眼睛里有多种视蛋白,它们不仅彼此相关,还与其他动物的视蛋白有亲缘关系。在动物界已经发现了数千种不同的视蛋白基因,它们全都来自于同一个基因的复制,这个祖先基因可以追溯到大约7亿年前。

    大多数基因都隶属于某个基因家族,家族中相似的基因拥有共同的祖先,可以追溯到成百上千万年前。可是,就在大约15年前,当酵母基因组测序完成时,人们发现有大约13的酵母基因好像找不到同家族的基因。人们用“孤儿”一词来描述那些独有的基因,或者一小组非常类似、却又没有已知同源基因的基因。

    美国宾夕法尼亚州立大学研究复杂性状演化的肯。魏斯说:“如果看到一个基因。又找不到它的‘亲戚’,你就会觉得有点疑神疑鬼。”有人提出,孤儿基因就相当于遗传学中的活化石,就像腔棘鱼一样是一个古老家族中最后的幸存者。其他人则认为,孤儿基因也没什么特别,就是普通的基因,只不过它们家族的其他成员还没有被发现。毕竟。全基因组测序当时也才刚刚起步。

    然而,随着越来越多的生物接受基因组测序,孤儿基因找到所属家族的“大团圆”结局却很少出现。到目前为止。。啃。文拼音 无弹窗更快速在完成测序的每一个物种中,不论是蚊子还是人,是蛔虫还是大鼠。人们都发现了孤儿基因,并且数量还在增长。

    现在,孤儿基因的研究尚在襁褓,我们对其中绝大多数基因的了解都少之又少。我们有所了解的那一部分则涉及各种功能。有些与dNA的修复和组织有关,有些则控制着其他基因的活性。昆虫中有一种被称为flightin的孤儿基因,编码着一种肌肉翅膀蛋白,有利于昆虫的飞行。2012年,美国芝加哥大学的龙漫远团队公布了一项研究,发现近期演化产生的两个昆虫孤儿基因,有助于果蝇形成觅食行为。

    珊瑚、水母和水螅等动物长有蛰刺细胞。这种复杂精巧的结构一旦受到刺激,就会放出有毒的刺丝麻痹猎物,而这种细胞的发育就是由孤儿基因操纵的。淡水水螅的口周围有摄食用的触手,触手的发育也是由孤儿基因操纵的。北极鳕的抗冻基因也是一个孤儿基因,使这种鱼能在冰冷的北冰洋中生存。

    有趣的是。孤儿基因往往表达在睾丸和大脑中。最近,有人大胆提出猜想,人类大脑的演化或许有孤儿基因的功劳。2011年,龙漫远及其同事鉴定出198种孤儿基因,它们表达在人类、黑猩猩和红毛猩猩的前额叶中。这是一个与高级认知功能相关的脑区。在这些基因中,有54个是人类独有的。从演化的角度来说,这些都是年轻的基因,还不到2500万年,它们的出现似乎与灵长类动物前额叶扩大的时间一致。龙漫远说:“这一点暗示,这些新基因与大脑的演化相关。”

    也有批评认为,大部分基因,无论新老,在某种程度上都与大脑的运作方式有关,况且相关并不能证明存在因果关联。不过,龙漫远引用了最近的一项动物研究来佐证他的理论。让发育期小鼠的神经元表达人类的孤儿基因SRGAP2c,结果并不能让小鼠的大脑变大,但确实可以让神经细胞中与相邻细胞联系的结构──树突棘长得更密。龙漫远主张,神经细胞间有更多的连接,或许可以增强大脑的计算能力。所以说,这些新近演化产生的人类基因,或许已经起到过塑造人类大脑的作用。德国马普学会演化生物学研究所的遗传学家迪特哈德。陶茨说:“我认为我们低估了孤儿基因的作用。”

    淡水水螅的口周围有摄食用的触手,触手的发育就是由孤儿基因操纵的。图片来源:33rdsquare

    从零开始

    但是,这些基因到底从何而来?2003年,陶茨和一名同事提出,孤儿基因也是复制产生的,只是接下来它的演化速度很快,以至于变得面目全非,跟原来的基因已经毫无相似之处了。而且他们确实找到了证据,似乎支持这一观点。他们证明,果蝇中孤儿基因的演化速度比非孤儿基因快了3倍。

    这样一来,孤儿基因就被塞进了“基因源于复制产生”的旧模型。然而,后来的研究指出,只有一小部分孤儿基因的起源可以用这种理论来解释。因此,尽管这个过程显然很重要,但它并不是孤儿基因故事的全部。“当时我们的想法看上去是有道理的,”陶茨说。“因为另一种情况似乎太不可能发生了。”

    还有另一个选择吗?唯一的其他可能就是,基因的确能够从零开始,从非编码dNA的随机拼接组合中产生。这是一个长久以来一直被认为根本不现实的想法,因为从非编码dNA到一个能产生有用蛋白的基因,跨度实在太大,可能性微乎其微。但是,大自然偏偏就不按常理出牌。几年前。人们逐渐找到了证据,酵母、稻米、小鼠和果蝇中都有“从头”产生的基因。到了2009年,爱尔兰都伯林大学的戴维。诺尔斯和奥菲。麦克莱萨特证明。人类中有3个孤儿基因还真是从零开始产生出来的。

    他们发现,这3个孤儿基因的dNA序列与其他几种灵长目动物中已有的序列几乎一模一样,只不过后者是非编码dNA。这意味着。这些基因必定形成于人类与黑猩猩在演化道路上分道扬镳之后。他们的研究还表明,这几个孤儿基因在多个人体组织中被转录成RNA,进而被翻译成蛋白,不过这些基因的功能目前还不清楚。

    2011年,另一个团队报告说,又发现了60个从头形成的人类孤儿基因。麦克莱萨特觉得这个数字可能有点儿太高了——她相信,从零开始合成基因是一种罕见现象。

    然而,另一些研究人员开始认为,这个现象或许普遍得令人吃惊。西班牙巴塞罗那市政基金医学研究所的玛尔。阿尔巴和玛卡雷娜。托尔-里埃拉主持的一项研究,对270个灵长目孤儿基因进行了分析。发现仅有14能够用复制后快速演化的理论来解释。相反,大约60%的基因似乎是全新的。“从头演化显然是一种强大的力量,随着时间不断产生出新的基因,”陶茨说,“看来大多数孤儿基因都有可能是从头演化而来的。”

    可是。这怎么可能?诺尔斯和麦克莱萨特发现,他们找到的那些孤儿基因,与已有的旧基因在位置上紧挨在一起,而且还略有重合,因此这些孤儿基因或许能够“借用”旧基因的开关。类似的,阿尔巴和托尔-里埃拉也发现。270个灵长目孤儿基因中有半数从“转座子”基因中获得了部分序列,那些转座子就像寄生物一样能够在基因组中跳来跳去。与此同时,人类基因组研究ENcodE项目在2013年初发表论文称,我们的dNA中散落着成百上千万可能有用的短开关片断,而且一个开关能够搭配多个基因。

    “人会生病,细菌也会,尽管细菌很微小,但是它们能被更微小的病毒——噬菌体所感染。”

    珍妮咬断了嘴巴里面的巧克力棒。

    “噬菌体就像个小小的注射器一般,把针头插入细菌,将自己的遗传物质强行注入到细菌体中,从而使细菌变成一个生物工厂,制造更多的噬菌体。”

    凯瑟琳点点头:“病菌都是这么干的。”

    “通常情况下,生病的细菌也就是被噬菌体感染的细菌最终会死亡,但也存在例外……”珍妮嘴角露出了笑意,但这种邪恶怪科学家的感觉是怎么回事……?

    “一些彪悍的细菌可能驯化噬菌体,使噬菌体成为细菌的盟友。彪悍的细菌会将噬菌体的基因组整合到自身的基因组中,帮助它们抵抗恶劣环境或是抵抗抗生素,通俗地讲使之成为超级细菌。”

    超级细菌什么的,凯瑟琳当然知道了,在21世纪的时候,这玩意儿却曾经也闹得沸沸扬扬了。

    超级细菌因为抗生素无效,在印度等地引起了不小的波澜。

    “噬菌体侵入细菌后,它们会以两种方式进行自我复制。第一种方式是野蛮暴力的,噬菌体侵入细菌后抢占资源,复制合成大量的新噬菌体,这个过程称为‘溶菌周期’。第二种方式是和平的,噬菌体dNA渗透到细菌的基因组里,并且成为细菌基因组的一部�
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