简述承载生命进化的伟大DNA

中国科技网,2012年10月14日,作者： 冯卫东

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上面的字母看起来杂乱无章吧，但这段DNA序列还当真了不起。它存在于你的身体、你的小猫小狗、你餐盘里的鱼、你花园里的蜜蜂和蝴蝶乃至你的肠道细菌的所有细胞中。事实上，无论是在深海滚烫的通风口，还是冰冷的高空云层中，你都能找到地球上的生命。你甚至还可以找到一些像巨病毒这样的严格意义上并不存活的东西。

DNA（脱氧核糖核酸）序列之所以非常普遍，是因为它从所有生命的共同祖先进化而来，而且自从它经历了一个至关重要的进程后，几乎就不再变化。换句话说，你身体中的部分DNA已到了难以想象的30亿岁，从你的祖先一代又一代地完整地传递给你。

而你的另一部分DNA则是全新的。你的基因组中会有大约100个突变基因，既不属于你母亲，也不属于你父亲，可能只是一两个字母的改变，也可能是大块DNA的减少或增加。

通过基因组的对比，我们可以知道我们的DNA哪部分是新的，哪部分是旧的。比方说，与你的兄弟姐妹进行对比，你就会发现全新的基因突变。将人类和动物的基因组进行比照，则可揭示更古老的变化。

我们的基因组，并不只是创造人类的配方，它们是鲜活的历史记录。由于我们的基因组是如此巨大，含有60多亿个DNA字母，足以堆成几十米高的书堆，它们以非同寻常的细节记录了我们的过去。它们使我们得以追踪从生命诞生延续至今的进化之旅。

虽然我们才刚刚开始解密这些记录，但我们已经发现，我们的祖先不只面临要与尖牙利爪浴血搏斗才能生存下去的残酷局面。我们的基因组中同样发生着一场史诗般的战役，最终造就了我们的今天。

共同的祖先

最先开始有的是RNA（核糖核酸）。这个“多才多艺”的分子能存储信息和催化反应，这意味着某些RNA可以自我复制。一旦一个RNA分子（或一组分子）开始自我复制，首个基因组就诞生了。

RNA的缺点在于不是特别稳定，所以很早期的生命转而利用DNA来存储信息，DNA是一个与RNA稍稍不同的化学“干将”，它不太容易分裂。蛋白质也取代RNA成为催化剂，RNA则被委以穿针引线的作用。DNA存储制造蛋白质的配方，并将配方的RNA副本发送给蛋白质制作机构。

RNA一统世界的许多古老痕迹依然残留在我们的基因组中。例如，本文开头所示的那段无处不在的序列，是RNA酶的部分编码，其至今仍在蛋白质的合成中起着关键作用。

约35亿年前，生命实体已开始随基因组不断进化，这些基因组中包括有制作RNA和蛋白质的配方，最终形成“最后普遍共同祖先”（LUCA）。生命进化研究专家确信，至少有100个基因可追溯回LUCA，而LUCA总共有1000多个基因。

LUCA拥有的很多核心机构在今天的所有生命中仍可找到，包括制造蛋白质的机构。然而，它可能与我们今天所知的生命完全不同。一些研究人员相信，LUCA根本就不是一个离散的、膜结合细胞，而是一种在非生命区隔内（如碱性深海热泉的气孔）进行复制的类病毒混合物。

分裂和聚合

下一阶段可能发生的一种情景是，像LUCA病毒样的元素子集开始分道扬镳奔向两个不同的方向，获得细胞膜，并成为简单细胞。这将可以解释为什么会有两种简单细胞——细菌和古生菌，各自带有完全不同的细胞膜。专家认为，这是一个非常有吸引力的假说。但可以肯定的是，生命很早就分裂成了两个主要分支。

细菌和古生菌进化出一些惊人的分子机制，并改变了这个星球，但它们仅保留极微量的化学物质。直到生命的两大分支再聚首，复杂细胞或真核生物应运而生，才算是生命进化进程中一个非同寻常的大事件，这个事件改变了基因组，为首个动物的进化铺平了道路。

大约10亿年前，一种细菌终结在古核生物中。这可不是一个灭了另一个，而是两者建立了一种共生关系，随之细菌的后代们逐渐进化，并开始发挥至关重要的作用：他们成为了线粒体，这个细胞内的发电厂可为我们提供能量。

没有这种结合，复杂的生命可能永远也不会出现。我们倾向于认为，简单生物进化成更复杂生命是自然而然的事，但单个细菌或古生菌却从未进化出具有一定复杂性的生命。这是为什么呢？

专家认为，这是因为他们遭遇了能障。简单生物利用其细胞膜产生能量。当它们变得更大时，表面积与体积之比下降，此时要产生足够的能量就变得举步维艰。其结果是，简单细胞不得不保留小的形体，小细胞没有足够的空间容纳较大的基因组。线粒体则通过提供模块化的自备能源消除了这一障碍。通过简单地制造更多的线粒体，并允许其扩展基因组及信息存储容量，细胞就能变得更大。

除了从这种能量约束中解放细胞，线粒体的祖先也是我们基因的3/4来源。原始细菌大概有3000个基因，随着时间的推移，大部分丢失了，或转移到主基因组中，现代线粒体留存的只是极少数的基因。

尽管有明显的优势，但是建立这样的联盟同时也充满了危险。特别是，原始线粒体的基因组受到寄生DNA（或转座子）的侵扰，这些转座子只会不停地克隆自己。它们有时会降落在基因中间，将自己寄存在大块不相关DNA（内含子）中。这就等同于把做汤的食材放进了烘蛋糕的菜谱中。

但后果并不总是灾难性的，因为这些内含子能“自我剪接”：蛋白质制造过程的第一步，也就是一个基因的RNA副本建立后，他们会把自己剪断。虽然这种情况并不总是发生，但他们的存在总归是一个缺陷。大多数细菌在其基因中没有内含子，因为在一个大群体中总会有很多个体之间的竞争，自然选择的强大力量会将他们清除出去。但原始真核细胞的数量非常小，所以选择性也弱。随着始祖线粒体的疯狂复制，主基因组被数以百计的内含子弄得一团糟，寄生生物出现了。

今天，每一个我们的基因通常都包含8个内含子，其中有许多可追溯到首个真核生物，我们的祖先从未设法摆脱他们中的大多数。相反，他们进化出了改变基因结构这样的对付方式以及细胞繁殖的方式。其中之一便是性。

性的好处

关于性，至关重要的东西不只是不同个体的基因的融合，而是将不同谱系的进化优势聚集在一起。简单细胞老早就已交换基因，而不必为性困扰。

这一过程也被称为重组，其中数对染色体在被分裂成精子或卵子前交换相应的部分。重组有助于解决一个根本性的问题，就是让一个基因组包含有许多互相关联的基因，就好像串在一条项链上的珠子。

想象一下，一条拥有真正华丽珍珠的项链旁边，必定有一条是不完美的。如果你不能和另一条互换珍珠，你要么放弃整条项链，要么就把它当成是完美的。同样，如果一个有益的突变最终紧挨着一个有害的突变，无论是有益突变被丢失还是有害突变通过种群传播，邻居的拖累是肯定的。

重组让你有机会交换珍珠。正如你可以制作一条完美的项链和一条有瑕疵的项链，所以某些后代会得到不成比例数量的优良基因，而另外一些后代也可能会得到很多不好的基因，也许还带有破坏性的内含子。不幸的个体很可能会消亡，而那些拥有良好基因的个体则茁壮成长。

在大群体中，这么多突变的兴起，其中一些将抵消有害基因的影响，所以也没有必要诉诸重组。但在小群体中，性就会胜出。这就是为什么性会成为第一个真核生物，乃至其后代的常态。因此，下一次你在享受性的愉悦时，记得感谢你的古细菌祖先所庇护的原始寄生生物吧。

等到性进化的时候，会有太多内含子摆脱它们。因此，早期真核生物很快就面临另一个严重的问题：由于内含子获得越来越多的突变，自我剪接机制开始失效。作为反应，这些早期真核生物进化出特殊机制，这就是可从基因的RNA副本剪去内含子的剪接体。

剪接体是进化的一种盲目解决方案典型：从基因RNA副本而不是从原始DNA剪去废物，是非常低效的。更何况，剪接速度很慢。许多RNA在其内含子被剪掉前就已到达蛋白质制造工厂，从而导致了有缺陷的蛋白质。

这就是细胞核进化的原因。一个细胞的DNA一旦被封闭在将蛋白质制造机构分隔开的区间内，只有剪切过的RNA被允许带出，就可防止细胞制造无用蛋白质而浪费能量。

但即使这样，也并没有解决所有的问题。剪接体经常会错误地剪掉基因的编码部分，即外显子，从而导致突变的蛋白质。选择性剪接不是一种适应，这是生物体不得不处理好的事情。

因此，我们的远古祖先进化出层叠叠的复杂机制，以应对内含子的扩散，但仍然没有解决内含子造成的所有问题。但与简单细胞不同的是，他们能承受得起这种浪费，因为他们与能源齐平。从长远来看，所有这些额外的复杂性也导致了新的机遇。

多功能性和控制

内含子及外显子的存在，实际上造就了基因的模块化。在一个连续的基因中，增删其中一部分引起的突变通常会改变基因其他部分被读取的方式，产生乱码。与此相反，外显子可在不破坏基因其余部分的情况下四处移动。基因现在就可以在其内部抑或其间对外显子进行编排而得以进化。

打个比方，假设随机突变给基因增添了一个外显子。得益于选择性剪接，原始版本的蛋白质仍可制造，但它也意味着一种新的蛋白质可能来自相同的基因。突变的影响可能不大，因此不会被选择机制淘汰，但随着时间的推移，新蛋白质或拥有了新的功能。很意外的是，真核细胞对付内含子的无谓努力使他们的基因更加灵活、更可进化。

如果复杂细胞的这种进化观点是正确的，我们基因组的许多关键特性，从模块化基因到性，都成为了线粒体获得物的直接结果。其他的观点虽然也不能被排除，但没有一个能提供如此美丽的解释。

所有这些新的功能导致了进化创新的暴发，真核生物蓬勃发展，不久就开始多样化了。即便如此，他们仍然面临着新型寄生DNA和病毒的无情攻击。超越了简单细胞的大小限制，复杂细胞可自由进化出更复杂的防御机制。

一是通过给阻止RNA副本形成的DNA添加标签（此一过程称为甲基化），来“静默”转座子的寄生基因。二是摧毁入侵病毒的RNA以阻止其自我复制。这些防御措施只获得部分成功。今天，大约5％的人类基因组包含有变异了的、大多为惰性的病毒遗骸，而50％的人类基因组包含有转座子的残余物，从而证明了这些寄生生物确曾莫名其妙地进入了我们祖先的基因组，并大肆泛滥。

这些防御机制很快就被指派为另一个目的：控制细胞自身基因的活性。

构筑身体

下一阶段将是进化过程中的一大步。大约8亿年前，细胞之间的合作开始比以往任何时候都更密切。当然，有一些细菌是多细胞的，由于受到复杂性的约束，从未在这条路上走得很远。与此相反的是，真核生物已在数十种场合进化出多细胞性，从而产生了非常复杂的生物体，如真菌、藻类、陆生植物，当然，还有动物。

更大的基因集将被赋以新的用途，如细胞的结合、细胞间的通信。更重要的是，基因的模块化特性允许更快速的进化。例如，将细胞结合在一起的蛋白质，既包括跨越细胞膜的一部分，又包括向外突出的一部分。有了模块化的基因，各种不同的突出位就可以附加到膜的骑跨部分之上，这就像是真空吸尘器上的不同附件。许多多细胞性的关键基因通过外显子的重排得以进化。

此外，真核生物控制基因的更复杂机制使得细胞更加专门化。通过将不同基因集开启或关闭，不同组别的细胞就能承担起不同的角色。因此，生物体开始发展成不同类型的组织，使早期动物进化从简单的海绵状生物向带有日益复杂构造的动物进化。

进化接下来的一次巨大飞跃，是两次遗传意外造成的结果。繁殖过程一旦出错，整个基因组偶尔也能被复制，在脊椎动物祖先身上，这样的事情发生了不止一次，而是两次。

这些基因组复制产生了大量额外的基因副本。其中一些丢失了，而另一些承担了新角色。特别是，这些复制产生了4个主基因群，从而在发育过程中建立起了横剖面框架，这些同源框基因（Hox Gene）群被认为在身体内部骨架的进化中起到了至关重要的作用。

全基因组复制是很罕见的，大多数新基因都是从更小的复制或从外显子重排中涌现出来的。进化是无耻的，它会利用任何有用DNA，而不管它来自何方。某些重要基因就是从垃圾DNA碎块中进化而来。

例如，大约5亿年前，我们祖先的基因组就遭受了一种称为hAT转座子的寄生基因的侵扰，它能利用“剪切和粘贴”机制进行自我复制。剪切经由可将特定DNA序列结合在一起的两种酶来完成。

在早期脊椎动物的某一时刻，这些由DNA剪切酶结合的序列，会在与识别入侵细菌和病毒相关的基因附近或内部终结。其结果是，在个体的生命进程中，随着其细胞的繁殖，hAT酶就会剪切掉部分基因。最重要的是，在不同细胞系中被剪切掉的不同部分，会产生大量的突变蛋白质。

在某些情况下，这竟然又是一个救星，因为突变蛋白质能更好地捕获入侵的病原体。很快，一种能识别细胞制造最有效蛋白质及激励其繁殖的新机制——适应性免疫系统诞生了。现代人类的免疫系统令人难以置信的复杂，但负责剪切和重排基因（针对入侵者的重要过程）的两种酶是hAT酶的直系后裔。因此，我们要感谢这个古老的寄生生物，使我们拥有了对抗疾病的最有效武器。

人类基因组

装备了这些先进的防御系统，再配上能开足马力塑造各种巨型身体形状的遗传工具包，早期脊椎动物是非常成功的。他们征服海洋、殖民陆地、攀上树顶又回归大地，最终开始两条腿走路。

是什么让我们与其他猿类不同？我们之间有一个巨大的不同点：我们有23条染色体，而我们的猿类祖先有24条。但只要我们拥有了身体必需的基因，染色体无论是分裂还是融合，就没什么不同。染色体长期的细微变化似乎在于逐渐改变着我们的大脑和身体。我们已经确定了几个关键的突变，但这样的突变也许还有成千上万。

很显然，细胞和身体复杂性的增加开始于基因组复杂性的增加。不过，令人吃惊的是，大多数初始复杂性的增加是因为进化选择的缺乏，而不是由其驱动。

换言之，突变引发的效应（诸如重复基因）即便有也不会太多。在一个大群体中，这种突变很快就会丢失。但是，在一个小群体中，它们可通过遗传漂变而意外传播。这是种群遗传学的一个必然结果。直到后来，重复基因获得一个新角色时，这种复杂性才会被选择。

在人类进化史上的许多重要事件，如产生同源框基因的基因组复制，也许是一个微群体中轻松选择的结果。事实上，人类进化初始阶段的人口瓶颈，或许可以解释为什么某些突变的扩散使我们异于猿类，譬如人类肌肉力量的损失。

另一个引人注目的事情是，病毒和寄生生物发挥了巨大的作用。我们基因组的许多主要特性，从性到甲基化，都是在对病毒和寄生生物的反击中进化而来。更重要的是，人类相当数量的基因和外显子，譬如免疫酶，都直接源于这些攻击者。对细胞生命来说，病毒从一开始就是必不可少的当事者。

病毒必要，但令人不悦。我们的进化在巨大的成本中完成。有人说历史是由胜利者书写的，好吧，我们的基因组是一卷胜利者的档案，它记录了那些成功的、或至少也没有毁灭我们祖先的进化实验。我们是长线彩票中奖者的后代，这张彩票的价值是繁衍出能存活足够长时间来“复制”自己的后代。这一路经历了无数的失败。

我们的基因组远不是一个经历了完美磨练的制成品。相反，它是从遗传事故的碎屑和古寄生生物的残骸中自然拼凑而成的。它是一种疯狂的、不受控制的实验产物，这样的实验会被现今的任何伦理委员会立即驳回。而这一过程至今仍在持续，去到任何医院，你可能会发现有孩子死于可怕的遗传性疾病，不过死去的人数并不像过去那么多了。得益于像胚胎筛选这样的方法，我们正在开始控制人类基因组的进化。一个新的时代正在到来。（记者 冯卫东 综合外电）