你身體部分「組織」已有30億歲

你身體部分「組織」已有30億歲——簡述承載生命進化的偉大DNA發布時間： 2012-10-14 | 作者：馮衛東http://www.stdaily.com 2012年10月14日 來源： 中國科技網 作者： 馮衛東 GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCTCCAATAGCGTATATTAAAGTTGCTGCAGTTAAAAAG 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。它存在於你的身體、你的小貓小狗、你餐盤裡的魚、你花園裡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，還是冰冷的高空雲層中，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並不存活的東西。 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，而且自從它經歷了一個至關重要的進程後，幾乎就不再變化。換句話說，你身體中的部分DNA已到了難以想像的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，既不屬於你母親，也不屬於你父親，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，你就會發現全新的基因突變。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，並不只是創造人類的配方，它們是鮮活的歷史記錄。由於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記錄了我們的過去。它們使我們得以追蹤從生命誕生延續至今的進化之旅。 雖然我們才剛剛開始解密這些記錄，但我們已經發現，我們的祖先不只面臨要與尖牙利爪浴血搏鬥才能生存下去的殘酷局面。我們的基因組中同樣發生著一場史詩般的戰役，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，這意味著某些RNA可以自我複製。一旦一個RNA分子（或一組分子）開始自我複製，首個基因組就誕生了。 RNA的缺點在於不是特別穩定，所以很早期的生命轉而利用DNA來存儲信息，DNA是一個與RNA稍稍不同的化學「幹將」，它不太容易分裂。蛋白質也取代RNA成為催化劑，RNA則被委以穿針引線的作用。DNA存儲製造蛋白質的配方，並將配方的RNA副本發送給蛋白質製作機構。 RNA一統世界的許多古老痕迹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，其至今仍在蛋白質的合成中起著關鍵作用。 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製作RNA和蛋白質的配方，最終形成「最後普遍共同祖先」（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在今天的所有生命中仍可找到，包括製造蛋白質的機構。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、膜結合細胞，而是一種在非生命區隔內（如鹼性深海熱泉的氣孔）進行複製的類病毒混合物。 分裂和聚合 下一階段可能發生的一種情景是，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，並成為簡單細胞。這將可以解釋為什麼會有兩種簡單細胞——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，並改變了這個星球，但它們僅保留極微量的化學物質。直到生命的兩大分支再聚首，複雜細胞或真核生物應運而生，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係，隨之細菌的後代們逐漸進化，並開始發揮至關重要的作用：他們成為了線粒體，這個細胞內的發電廠可為我們提供能量。 沒有這種結合，複雜的生命可能永遠也不會出現。我們傾向於認為，簡單生物進化成更複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複雜性的生命。這是為什麼呢？ 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，此時要產生足夠的能量就變得舉步維艱。其結果是，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。通過簡單地製造更多的線粒體，並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，或轉移到主基因組中，現代線粒體留存的只是極少數的基因。 儘管有明顯的優勢，但是建立這樣的聯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（或轉座子）的侵擾，這些轉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DNA（內含子）中。這就等同於把做湯的食材放進了烘蛋糕的菜譜中。 但後果並不總是災難性的，因為這些內含子能「自我剪接」：蛋白質製造過程的第一步，也就是一個基因的RNA副本建立後，他們會把自己剪斷。雖然這種情況並不總是發生，但他們的存在總歸是一個缺陷。大多數細菌在其基因中沒有內含子，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量非常小，所以選擇性也弱。隨著始祖線粒體的瘋狂複製，主基因組被數以百計的內含子弄得一團糟，寄生生物出現了。 今天，每一個我們的基因通常都包含8個內含子，其中有許多可追溯到首個真核生物，我們的祖先從未設法擺脫他們中的大多數。相反，他們進化出了改變基因結構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 關於性，至關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，其中數對染色體在被分裂成精子或卵子前交換相應的部分。重組有助於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聯的基因，就好像串在一條項鏈上的珠子。 想像一下，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，你要麼放棄整條項鏈，要麼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。正如你可以製作一條完美的項鏈和一條有瑕疵的項鏈，所以某些後代會得到不成比例數量的優良基因，而另外一些後代也可能會得到很多不好的基因，也許還帶有破壞性的內含子。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，這麼多突變的興起，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。這就是為什麼性會成為第一個真核生物，乃至其後代的常態。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：由於內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，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在其內含子被剪掉前就已到達蛋白質製造工廠，從而導致了有缺陷的蛋白質。 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製造機構分隔開的區間內，只有剪切過的RNA被允許帶出，就可防止細胞製造無用蛋白質而浪費能量。 但即使這樣，也並沒有解決所有的問題。剪接體經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。選擇性剪接不是一種適應，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複雜機制，以應對內含子的擴散，但仍然沒有解決內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，所有這些額外的複雜性也導致了新的機遇。多功能性和控制 內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，產生亂碼。與此相反，外顯子可在不破壞基因其餘部分的情況下四處移動。基因現在就可以在其內部抑或其間對外顯子進行編排而得以進化。 打個比方，假設隨機突變給基因增添了一個外顯子。得益於選擇性剪接，原始版本的蛋白質仍可製造，但它也意味著一種新的蛋白質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，新蛋白質或擁有了新的功能。很意外的是，真核細胞對付內含子的無謂努力使他們的基因更加靈活、更可進化。 如果複雜細胞的這種進化觀點是正確的，我們基因組的許多關鍵特性，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新的暴發，真核生物蓬勃發展，不久就開始多樣化了。即便如此，他們仍然面臨著新型寄生DNA和病毒的無情攻擊。超越了簡單細胞的大小限制，複雜細胞可自由進化出更複雜的防禦機制。 一是通過給阻止RNA副本形成的DNA添加標籤（此一過程稱為甲基化），來「靜默」轉座子的寄生基因。二是摧毀入侵病毒的RNA以阻止其自我複製。這些防禦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座子的殘餘物，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，並大肆泛濫。 這些防禦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。 構築身體 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，由於受到複雜性的約束，從未在這條路上走得很遠。與此相反的是，真核生物已在數十種場合進化出多細胞性，從而產生了非常複雜的生物體，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，將細胞結合在一起的蛋白質，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複雜機制使得細胞更加專門化。通過將不同基因集開啟或關閉，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複雜構造的動物進化。 進化接下來的一次巨大飛躍，是兩次遺傳意外造成的結果。繁殖過程一旦出錯，整個基因組偶爾也能被複制，在脊椎動物祖先身上，這樣的事情發生了不止一次，而是兩次。 這些基因組複製產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，這些複製產生了4個主基因群，從而在發育過程中建立起了橫剖面框架，這些同源框基因（Hox Gene）群被認為在身體內部骨架的進化中起到了至關重要的作用。 全基因組複製是很罕見的，大多數新基因都是從更小的複製或從外顯子重排中湧現出來的。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」機制進行自我複製。剪切經由可將特定DNA序列結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剪切酶結合的序列，會在與識別入侵細菌和病毒相關的基因附近或內部終結。其結果是，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，會產生大量的突變蛋白質。 在某些情況下，這竟然又是一個救星，因為突變蛋白質能更好地捕獲入侵的病原體。很快，一種能識別細胞製造最有效蛋白質及激勵其繁殖的新機制——適應性免疫系統誕生了。現代人類的免疫系統令人難以置信的複雜，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酶的直系後裔。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禦系統，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。 是什麼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，就沒什麼不同。染色體長期的細微變化似乎在於逐漸改變著我們的大腦和身體。我們已經確定了幾個關鍵的突變，但這樣的突變也許還有成千上萬。 很顯然，細胞和身體複雜性的增加開始於基因組複雜性的增加。不過，令人吃驚的是，大多數初始複雜性的增加是因為進化選擇的缺乏，而不是由其驅動。 換言之，突變引發的效應（諸如重複基因）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果。直到後來，重複基因獲得一個新角色時，這種複雜性才會被選擇。 在人類進化史上的許多重要事件，如產生同源框基因的基因組複製，也許是一個微群體中輕鬆選擇的結果。事實上，人類進化初始階段的人口瓶頸，或許可以解釋為什麼某些突變的擴散使我們異於猿類，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，人類相當數量的基因和外顯子，譬如免疫酶，都直接源於這些攻擊者。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者的後代，這張彩票的價值是繁衍出能存活足夠長時間來「複製」自己的後代。這一路經歷了無數的失敗。 我們的基因組遠不是一個經歷了完美磨練的製成品。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、不受控制的實驗產物，這樣的實驗會被現今的任何倫理委員會立即駁回。而這一過程至今仍在持續，去到任何醫院，你可能會發現有孩子死於可怕的遺傳性疾病，不過死去的人數並不像過去那麼多了。得益於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 馮衛東 綜合外電） 《科技日報》（2012-10-14 二版）(中國科技網)本篇文章來源於 科技網|www.stdaily.com原文鏈接：http://www.stdaily.com/stdaily/content/2012-10/14/content_527961_2.htm(中國科技網)本篇文章來源於 科技網|www.stdaily.com原文鏈接：http://www.stdaily.com/stdaily/content/2012-10/14/content_527961.htm
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